Name: rapid manufacturing of thin soft pneumatic actuators and robots
Uploaded: 2019-11-08T15:00:00
Duration: 8 min 47 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots at JoVE.com

Vi takker Dalio Institute of kardiovaskulær Imaging til finansiering af dette arbejde.

1. udglatning af TPU-arkene ved varme presning
<ol><li>Kalibrer en kraft sensor, der skal bruges i varmepressen.<ol>
<li>Sandwich kraft sensoren mellem to lag silikone (50 mm x 50 mm x 3 mm tyk). Placer kraft sensoren og silikone lagene mellem kompressions pladerne/anvils af træk maskinen. Formindsk afstanden mellem pladerne ved at dreje knappen på varmen tryk med uret og nedskrive styrken og modstanden af sensoren.</li>
		<li>Måle arealet af sensoren ved hjælp af en digital caliper og opdele kraft værdierne af det målte område for at opnå de trykdata. Sæt en lineær linje til tryk versus modstands data ved hjælp af et regneark for at kalibrere sensoren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Placer kraft sensoren inde i varmepressen, og drej Tryk knappen, indtil et tryk på ~ 200 kPa aflæses fra sensoren.</li>
	<li>Bær handsker for at undgå kontaminering af TPU-filmene.</li>
	<li>Skær fire lag TPU med saks eller en laserskærer til at passe varmepressen plader (30 mm x 30 mm). Placer de fire ark, så alle fire kanter er justeret.</li>
	<li>Placer TPU-arkene inde i varmepressen.</li>
	<li>Indstil temperaturen på varmepressen til ~ 200 °F (~ 93 °C). Luk varmepressen fuldt ud.</li>
	<li>Hold filmene inde i varmepressen i 10 min. Åbn varmepressen og fjern de laminerede TPU-film, der skal laser skæres i trin 3,12.</li>
</ol>2. Find de optimale laser parametre
<ol><li>Som beskrevet i afsnit 1, varme Tryk to lag TPU.</li>
	<li>Brug computer-aided design (CAD) software, designe en firkant med 20 mm sider og et rektangel på 4 mm x 8 mm, der vil fungere som indgangen til den firkantede ballon.</li>
	<li>Laser cut/Weld det firkantede mønster fra trin 2,2 ud af TPU lag fra trin 2,1 ved hjælp af følgende indstillinger i laser cutter software: sæt pulser pr. tomme (PPI) til 500, variere strømmen fra 10% til 100%, og for hver værdi af magt variere hastigheden fra 10% til 100%.</li>
	<li>Skær enden af indgangen af den firkantede ballon med saks.</li>
	<li>Indsæt en nål inde i den firkantede ballon indløb, anvende lim (tabel over materialer) omkring det, og wrap polytetrafluorethene (PTFE) tape omkring forbindelsen. Bemærk: efter 5 min er den klar til brug.</li>
	<li>Identificer det gennemsnitlige brast tryk i den firkantede ballon ved at puste det med en præcis væske dispenser.</li>
	<li>Forøg trykket af ballonen ved hjælp af den præcise væske dispenser, indtil den brister. Mål og Nedskriv brast trykket. Gentag dette trin 5x og få det gennemsnitlige brast tryk.</li>
	<li>Gentag trin 2.1-2.7 for hele spektret af effekt-og hastighedsværdier, og Identificer det maksimale burst-tryk i den firkantede ballon og de tilhørende effekt-og hastighedsværdier som de optimale parametre for laser maskinen.</li>
</ol>3. opdigte Aktuatorerne ved laserskæring/svejsning
<ol><li>Design det ønskede aktuatormønster ved hjælp af CAD-software. Bemærk: AutoCAD 2017 bruges i denne protokol.</li>
	<li>Vælg hele designet i CAD-softwaren ved at fremhæve alle segmenter af designet.</li>
	<li>På proceslinjen under sektionen Egenskaber skal du ændre streg vægten til 0 mm, så softwaren udskrives korrekt til laser fræseren.</li>
	<li>Vælg Udskrivpå proceslinjen. Skift printernavnet til "VLS 2.30" i menuen.</li>
	<li>Vælg papirstørrelsen som Brugerdefineret landskabi printer indstillingerne.</li>
	<li>I afsnittet plot Scale skal du fravælge indstillingen Tilpas til papir og derefter skalere billedstørrelsen som 1 mm = en enhed af længden.</li>
	<li>I plottet forskydning (oprindelse indstillet til udskriftsområde) Kontroller centrum indstillingen plot .</li>
	<li>Tænd for luftfilteret ved at trykke på afbryderknappen.</li>
	<li>Tænd for laser fræseren ved at trykke på afbryderknappen eller ved at klikke på tænd/sluk-ikonet på Universal laser system-kontrolpanelets software.</li>
	<li>I indstillingen indstilling , Indstil hastigheden = 60%, PPI = 500, og power = 80%. Bemærk: disse parametre skal muligvis ændres baseret på den specifikke laser effekt i det system, der anvendes.</li>
	<li>Brug værktøjet Fokusvisning til at flytte laser markøren til venstre øverste hjørne og nederste højre hjørne af mønsteret for at sikre, at hele mønsteret passer ind i de LAMINEREDE TPU-film (30 mm x 30 mm) fremstillet i trin 1,10.</li>
	<li>For at fokusere laser maskinen skal du flytte linse vognen til midten af bordet. Placer fokus værktøjet på bordet, og Flyt bordet, indtil toppen af fokus værktøjet rører forsiden af objektiv vognen. Flyt derefter bordet langsomt op, indtil linse vognen rammer fokus værktøjets hak og bumper den fremad. Bemærk: laseren er fokuseret og klar til brug med parametrene i 3,11.</li>
	<li>Uden at ændre placeringen af TPU-arket, køre laseren igen, men sænke hastigheden = 55%, øge strømmen = 85%, og holde PPI = 500.</li>
	<li>Udfør en tredje kørsel af laseren for at sikre, at der ikke er lækager i aktuatoren. Indstil hastigheden = 50%, Forøg strømmen = 90%, og Behold PPI = 500.</li>
</ol>4. limning af rustfrit stål dispenserings nåle med en luer Lock forbindelse
<ol><li>Skær enden af ballonen aktuator indløb med saks.</li>
	<li>Indsæt en nål inde i ballonen aktuator indløb, anvende lim omkring det, og wrap PTFE tape omkring forbindelsen. Bemærk: efter 5 min er den klar til brug.</li>
</ol>5. karakterisering af de bløde aktuatorer
<ol><li>Monter et kamera over aktuatoren med en tilstrækkelig afstand, så aktuatoren er i fuld visning i kameraet i både tryk-og under trykede tilstande.</li>
	<li>Hold aktuatoren i en retning, således at dens afbøjning ved tryk sering er ortogononal til kameraet.</li>
	<li>Forøg trykket af aktuatoren med en præcis væske dispenser, indtil den bøjer sig i sit fulde sortiment uden at sprænge. Påtage sig hele spektret som den maksimale afbøjning af aktuatoren uden nogen form for plastisk deformation eller lækage eller sprængning på grund af over inflation.</li>
	<li>Forøg aktuatortrykket, indtil det når ~ 20% af hele spektret og Nedskriv trykket.</li>
	<li>Tag et billede af aktuatoren ved hjælp af kameraet fra trin 5,1, og brug derefter en billedbehandlings software (f. eks. imageJ) til at måle X-og Y-koordinaterne for spidsen af aktuatoren i billedet.</li>
	<li>Gentag trin 5,4 og 5,5, indtil hele spektret af aktuatorafbøjning er nået.</li>
	<li>Plot en X-Y graf af aktuatorens afbøjning versus inflationstrykket ved hjælp af en plotte software.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Moghadam, A. A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+Cutting+as+a+Rapid+Method+for+Fabricating+Thin+Soft+Pneumatic+Actuators+and+Robots.">Laser Cutting as a Rapid Method for Fabricating Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots.</a> Soft Robotics. 5 (4), 443-451 (2018).</li><li>Paek, J. W., Cho, I., Kim, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microrobotic+tentacles+with+spiral+bending+capability+based+on+shape-engineered+elastomeric+microtubes.">Microrobotic tentacles with spiral bending capability based on shape-engineered elastomeric microtubes.</a> Scientific Reports. 5, (2015).</li><li>Gorissen, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+pneumatic+twisting+actuators+and+their+application+to+tilting+micromirrors.">Flexible pneumatic twisting actuators and their application to tilting micromirrors.</a> Sensors and Actuators A-Physical. 216, 426-431 (2014).</li><li>Gorissen, B., De Volder, M., De Greef, A., Reynaerts, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+and+experimental+analysis+of+pneumatic+balloon+microactuators.">Theoretical and experimental analysis of pneumatic balloon microactuators.</a> Sensors and Actuators A-Physical. 168 (1), 58-65 (2011).</li><li>Jeong, O. C., Konishi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All+PDMS+pneumatic+microfinger+with+bidirectional+motion+and+its+application.">All PDMS pneumatic microfinger with bidirectional motion and its application.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 15 (4), 896-903 (2006).</li><li>Konishi, S., Shimomura, S., Tajima, S., Tabata, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implementation+of+soft+microfingers+for+a+hMSC+aggregate+manipulation+system.">Implementation of soft microfingers for a hMSC aggregate manipulation system.</a> Microsystems &amp; Nanoengineering. 2, (2016).</li><li>Lu, Y. W., Kim, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microhand+for+biological+applications.">Microhand for biological applications.</a> Applied Physics Letters. 89 (16), (2006).</li><li>Ikeuchi, M., Ikuta, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+Pressure-Driven+Micro+Active+Catheter+using+Membrane+Micro+Emboss+Following+Excimer+Laser+Ablation+(MeME-X)+Process.">Development of Pressure-Driven Micro Active Catheter using Membrane Micro Emboss Following Excimer Laser Ablation (MeME-X) Process.</a> 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , (2009).</li><li>Sanan, S., Lynn, P. S., Griffith, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pneumatic+Torsional+Actuators+for+Inflatable+Robots.">Pneumatic Torsional Actuators for Inflatable Robots.</a> Journal of Mechanisms and Robotics. 6 (3), 031003 (2014).</li><li>Veale, A. J., Xie, S. Q., Anderson, I. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+Peano+fluidic+muscle+and+the+effects+of+its+material+properties+on+its+static+and+dynamic+behavior.">Modeling the Peano fluidic muscle and the effects of its material properties on its static and dynamic behavior.</a> Smart Materials and Structures. 25 (6), (2016).</li><li>Niiyama, R., Rognon, C., Kuniyoshi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Printable+Pneumatic+Artificial+Muscles+for+Anatomy-based+Humanoid+Robots.">Printable Pneumatic Artificial Muscles for Anatomy-based Humanoid Robots.</a> 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , (2015).</li><li>Niiyama, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pouch+Motors:+Printable+Soft+Actuators+Integrated+with+Computational+Design.">Pouch Motors: Printable Soft Actuators Integrated with Computational Design.</a> Soft Robotics. 2 (2), 59-70 (2015).</li></ol>

Forfatterne har intet at afsløre.

De kritiske trin i fremstillingen af de bløde aktuatorer omfatter: i) 2D CAD-designet. En korrekt 2D layout kan diktere deformation af aktuatoren (f. eks lineær, biaksial, bøjning, og roterende bevægelse). II) laminering af TPU-lagene. TPU-filmene er varme presset før laserskæring for at sikre, at lagene er flade og i konformal kontakt overalt. III) laser skæring/svejsning. Som det sidste trin, de laminerede TPU lag er laserskåret/svejset i bløde aktuatorer.
Succesraten for protokollen kan producere en 100% afkast (for eksempel har vi gjort 20 aktuatorer samtidigt). Den primære faktor er laminering trin: for at opnå de bedste resultater, TPU skal flades så meget som muligt før varmepressen proces.  Undersøge forskellige områder af varmen trykplade med en kraft sensor kan vise, at trykfordelingen ikke er ensartet. Ikke-ensartet trykfordeling kan resultere i ufuldstændig laminering af TPU-arkene, hvilket igen resulterer i ufuldstændig laserskæring/svejsning og lækage. Alternativt kan ikke-ensartet varmeoverførsel på grund af små rynker i TPU-filmen under laserskæring/svejsning forårsage lækage.
I forhold til de konventionelle metoder, den foreslåede metode har flere fordele, herunder: i) simple 2D design. Mens den nuværende metode kræver kun 2D CAD designs til laser cut/Weld Aktuatorerne (forskellige mønstre er tilgængelige1), de konventionelle fabrikationsmetoder baseret på silikone støbning kræver en 3D skimmel design. II) hurtig fabrikation. Fabrikation tid fra CAD design til laminering af TPU lag og laserskæring/svejsning kan ske i flere minutter, mens den konventionelle fabrikation metode vil tage flere timer. Ved at tillade fremstilling af bløde enheder og bløde robotter i et enkelt trin, uden montage, kan bløde robotter og enheder designes fra en kombination af forskellige typer aktuatorer, og CAD-modellen kan laser skæres/svejses i det endelige produkt i et enkelt trin uden at kræve nogen samling. For eksempel, en svømning robot, består af fire ben hver består af to typer af bøjning aktuatorer, er fremstillet af et 2D CAD-design på blot et par minutter uden at kræve nogen montagetrin, som tidligere demonstreret1.
Som en fremtidig retning af dette arbejde, kan forskellige typer af termoplastiske materialer vedtages til fremstilling af bløde aktuatorer. Generelt, disse materialer skal have elastisk adfærd, der skal anvendes som aktuatorer. Anvendelse af stivere termoplastisk materiale vil resultere i højere burst tryk og højere blokerende kraft af Aktuatorerne sammenlignet med dem, der tidligere er karakteriseret i figur S6 af Moghadam et al.1, viser styrker op til 0,1 N. Således kan det udvide anvendelsen af Aktuatorerne til tilfælde, hvor højere blokerende kraft er påkrævet, såsom Exoskelet suiter.

Som et skridt fremad i fremstillingen af bløde pneumatiske aktuatorer illustrerer den foreslåede metode hurtig fabrikation af ultratynde (~ 70 μm) pneumatiske aktuatorer fremstillet af termoplastisk polyurethan (TPU)1. Disse aktuatorer er særligt nyttige i applikationer, der kræver, at robotterne er lette og/eller passer i små rum. Sådanne applikationer kan forestillede sig at være Trans kirurgiske manipulatorer, wearable aktuatorer, eftersøgnings-og rednings robotter, og flyvende eller svømning robotter.
Den konventionelle fremstillingsmetode for tynde bløde pneumatiske aktuatorer, som er baseret på silikone støbning, er tidskrævende (flere timer) og meget udfordrende på grund af den lave opløsning af 3D trykte forme og vanskeligheder i demolding af tynde (mindre end 0,5 mm) aktuatorer. Især kræver fabrikation af tynde aktuatorer anvendelse af specialiserede værktøjer og metoder2.
Mikrofabrikations teknikker kan vedtages for at fabrikere tynde aktuatorer3,4,5,6,7. Alternativt har Ikeuchi et al. udviklet tynde pneumatiske aktuatorer ved hjælp af membran mikro-prægning8. Disse metoder, selv om de er effektive, kræver dyre værktøjer og er tidskrævende. Således har de begrænsede ansøgninger.
Paek et al. demonstrerede en enkel metode til fremstilling af små bløde aktuatorer ved hjælp af DIP-coating af cylindriske skabeloner2. Selv om effektiv, der er to spørgsmål med udbredt anvendelse af denne metode: for det første er det ikke let at kontrollere tykkelsen af de dip-belagte funktioner, og for det andet, dens anvendelse er begrænset til et begrænset antal tredimensionale (3D) designs.
Peano aktuatorer9,10 og pose motorer11,12 har kompakte to-dimensionelle (2D) designs, der resulterer i tynde formfaktorer (dvs. store områder med lille tykkelse). Veale et al. rapporteret udvikling af lineære peano aktuatorer fremstillet af forstærket plast og tekstil-silikonekompositter1,8. Niiyama et al. udviklet pose motorer ved hjælp af termoplastiske film fremstillet af varme stempling og varme tegning systemer11,12.
Mens 2D design af peano aktuatorer og pose motorer gør dem meget tynde i deres ikke-aktiverede tilstand, ved inflation deres Zero-Volume kammer udvider til et relativt stort volumen, hvilket begrænser deres anvendelse til drift i begrænsede rum såsom Trans terapier eller eftersøgnings-og redningsmissioner1. I modsætning til disse designs kan de foreslåede bløde aktuatorer i den nuværende metode aktiveres med relativt små belastninger. Således, selv i den aktuerede tilstand de indtager relativt små rum1.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:840px;" width="840">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:361px;">Force Sensor</td>
			<td style="width:151px;">Omega</td>
			<td style="width:161px;">KHLVA-102</td>
			<td style="width:167px;">https://www.omega.co.uk/pptst/KHRA-KHLVA-KHA-SERIES.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">High Precision Dispensers Ultimus I</td>
			<td style="width:151px;">Nordson</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>http://www.nordsonefd.com/searchengines/google/en/AirPoweredDispensers/?gclid=CjwKCAjw36DpBRAYEiwAmVVDMPuZ50xXoyzK3gvnghCA7yZUfJg4o9V28yDHKjY5Gs159RJIcMk_choCJIgQAvD_BwE</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Laser Cutter VLS2.30</td>
			<td>Universal Laser System</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>https://www.ulsinc.com/products/platforms/vls2-30</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">PowerPress Heat Press</td>
			<td style="width:151px;">Power Heat Press</td>
			<td style="width:161px;">OX-A1</td>
			<td>https://www.howtoheatpress.com/power-press-15x15-heat-press-review/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:361px;">PTFE Thread Sealant tape</td>
			<td style="width:151px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:161px;">4934A11</td>
			<td>https://www.mcmaster.com/ptfe-tape</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:361px;">Stainless Steel Dispensing Needle</td>
			<td style="width:151px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:161px;">75165A754</td>
			<td>https://www.mcmaster.com/75165a754</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Super Glue Loctite 409</td>
			<td style="width:151px;">Henkel</td>
			<td>229654</td>
			<td>https://www.henkel-adhesives.com/us/en/product/instant-adhesives/loctite_409.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Thermoplastic polyurethane Airtech&#8217;s Stretchlon 200</td>
			<td>ACP Composites</td>
			<td style="width:161px;">v-11A</td>
			<td>https://store.acpsales.com/products/3321/stretchlon-200-high-stretch-bag-film-60</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Universal Testing Systems</td>
			<td style="width:151px;">Instron</td>
			<td style="width:161px;">5943</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

rapid manufacturing of thin soft pneumatic actuators and robots

Denne protokol beskriver en metode til hurtig fremstilling af bløde pneumatiske aktuatorer og robotter med en ultratynd formfaktor ved hjælp af en varme presse og en laser cutter maskine. Metoden starter med laminering af termoplastisk polyurethan (TPU) ark ved hjælp af en varme presse for 10 min ved temperaturen på ~ 93 °C. Dernæst er parametrene for laser cutter maskinen optimeret til at producere en rektangulær ballon med maksimal burst tryk. Ved hjælp af de optimerede parametre, er de bløde aktuatorer laserskåret/svejset tre gange sekventielt. Dernæst er en dispenserings kanyle fastgjort til aktuatoren, så den kan oppustet. Effekten af geometriske parametre på aktuatorens deformation er systematisk undersøgt ved at variere kanalens bredde og længde. Endelig er aktuatorens ydeevne karakteriseret ved hjælp af et optisk kamera og en væske dispenser. Konventionelle fabrikationsmetoder af bløde pneumatiske aktuatorer baseret på silikone støbning er tidskrævende (flere timer). De resulterer også i stærke, men voluminøse aktuatorer, som begrænser aktuatorens applikationer. Desuden er mikrofabrikation af tynde pneumatiske aktuatorer både tidskrævende og dyrt. Den foreslåede fremstillingsmetode i det nuværende arbejde løser disse problemer ved at indføre en hurtig, enkel og omkostningseffektiv fabrikationsmetode for ultratynde pneumatiske aktuatorer.

For at demonstrere den foreslåede metode viser vi fremstillingen af en enkelt bøjnings aktuator. For at fabrikere denne aktuator blev fire ark TPU af dimension 25 cm x 25 cm skåret, stablet sammen og derefter udjævnet ved hjælp af en varme presse (figur 1a). Efter protokollen blev varmepressen anvendt i 10 minutter ved en fast temperatur på 200 °F. Rynker i de laminerede ark kan resultere i problemer med limning under laserskæring trin, derfor sikre en perfekt glat overflade er afgørende for reproducerbare resultater. For eksempel viser figur 1b en resulterende laminering, der indeholder rynker, der ikke vil give ønskede resultater, mens figur 1c viser en resulterende laminering, der er tilstrækkelig flad til at producere de ønskede resultater.
Den pneumatiske aktuator's 2D-design blev tegnet i AutoCAD. Denne aktuator blev lavet blot ved at tegne et rektangel på 8 mm x 150 mm. Et lineært mønster på otte linjer, hver 1,34 mm lang, blev føjet til midten af designet med en afstand på 10 mm (fremhævet med rødt i figur 2). Endelig er åbningen af aktuatoren (fremhævet med blåt i figur 2) designet ved at tilføje et åbent rektangel på 4 mm x 8 mm. Der findes en AutoCAD-fil (. dwg) til denne eksempel lineære aktuator i det supplerende materiale.
Den laminerede firelags stak af TPU blev derefter placeret i laserskæremaskinen (figur 3a) og 2D-designet blev importeret ved hjælp af softwaren til laserskæremaskinen. Fokus værktøjet på laser fræseren kontrollerede pasformen af 2D-tegningens position på de LAMINEREDE TPU-plader. For en første kørsel, laser cut blev sat til hastighed = 60%, Power = 80%, og PPI = 500. Når det var afsluttet, uden at ændre placeringen af polyurethan ark, en anden kørsel med nye indstillinger blev startet ved hastighed = 55%, Power = 85%, og PPI = 500. Den samme oparbejde var gentagen hos ny opsætning nemlig en tredjedel gang henne ved hastighed = 50%, kraft = 90%, og PPI = 500. Faldende hastighed og øge strømmen udsætter pneumatisk aktuator til varmekilden i længere tid og gør det muligt at smelte og obligation for at sikre en lækage-fri ballon, der kan adskilles fra resten af TPU ark let (figur 3b). Det skal bemærkes, at laser cutter er altid samtidig skære og svejsning TPU; skæring og svejsning udføres ikke i separate trin eller opnås ved forskellige indstillinger.
For at koble aktuatoren til en luft Forsyningsenhed blev aktuatorens åbning skåret med en saks, og der blev indsat en nål af rustfrit stål (figur 4b) mellem det andet og tredje lag af den laserskårne aktuator. For at opretholde et lækagefrit system var yder nålen dækket af lim på forhånd (figur 4c). Så grænsefladen af aktuatoren og rustfri stål nål var pakket stramt med PTFE tape (figur 4d).
Endelig blev den pneumatiske aktuator (figur 5a) med en digital væske dispenser oppustet til et tryk på 5 psi for at observere en afbøjning i den region, hvor rækken af linjer var konstrueret (figur 5b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig1.jpg"> Figur 1: varme pressark. A) billede af varmepressen med de TPU-plader, der skal lamineres. (B) eksempelbillede af dårligt laminerede plader med overdreven rynker. (C) eksempelbillede af vellykkede laminerede ark med en glat overflade. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig2.jpg"> Figur 2: Aktuatordesign. Billede af en CAD-tegning, der bruges til at danne en enkelt bøjnings aktuator. Det nederste design viser konturen af aktuatoren, det midterste design viser en enkelt linje tilføjet som en bøjning funktion, og det øverste design viser en komplet aktuator. Den røde boks fremhæver de funktioner, der danner bøjnings regionen på aktuatoren. Den blå boks fremhæver regionen for tilslutning af en nål til tryk. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig3.jpg"> Figur 3: laser cutter. A) billede af de laminerede plader i en laserskærer. (B,C) Billede af aktuatoren, der skal fjernes efter laserskæring. (C) billede af aktuatoren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig4.jpg"> Figur 4: tilslutning af nåle. Billeder, der skildrer trinene for tilslutning af en stump nål (a) til en ballon aktuator ved hjælp af lim (B) som et klæbemiddel. Nålen indsættes i den smalle ende af aktuatoren, som åbnes ved hjælp af en saks (C) og FORSEGLET med PTFE tape (D). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig5.jpg"> Figur 5: bøjning aktuator. (A) billede af aktuatoren i en utrykket tilstand. (B) billede af aktuatoren i en Tryk tilstand. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Supplerende materiale.   <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/JOVE_PAPER.dwg" target="_blank">Venligst klik her for at downloade denne fil.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots at JoVE.com

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

Denne protokol beskriver en metode til hurtig fremstilling af bløde pneumatiske aktuatorer og robotter med en tynd formfaktor. Den fabrikationsmetode starter med laminering af termoplastisk polyurethan (TPU) ark efterfulgt af laserskæring/svejsning af et todimensionalt mønster til at danne aktuatorer og robotter.

Hurtig fremstilling af tynde, bløde pneumatiske aktuatorer og robotter

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...

Denne hurtige metode bruger en laserskærer og termoplastisk polyurethan til at fremstille tynde bløde aktuatorer med vilkårlig geometri og størrelser. Den største fordel ved teknikken er, at den giver mulighed for hurtig design og fremstilling af flere tynde bløde aktuatorer og robotproto prototyper parallelt. For at kalibrere en kraftsensor, der skal bruges i varmepressen, skal du først placere et glasdias på kraftsensoren og lægge en vægt på den.Skriv sensorens kraft og modstand ned, og brug en digital caliper til at måle sensorens område. Kalibrer derefter sensoren ved at dividere kraftværdierne med det målte område for at opnå trykdataene og bruge et regneark til at passe en lineær linje til tryk- og modstandsdataene. Dernæst sandwich kraftsensoren mellem to lag af 50 af 50 af 3 millimeter silikone, placere lagene inde i varmepressen, og drej trykknappen, indtil et tryk på ca 200 kilopascal læses fra sensoren.For at varme tryk på TPU-filmene, tag handsker på og skær fire 30 gange 30 millimeter lag af materialet. Placer de fire ark, så alle fire kanter er justeret, og placer arkene inde i varmepressen. Indstil temperaturen af varmepressen til omkring 93 grader Celsius og luk varmepressen fuldt ud.Hold filmene inde i pressen i 10 minutter, før du åbner pressen og fjerner de laminerede TPU-film. For at bestemme de optimale laserparametre skal du bruge et computerstøttet designprogram til at designe en firkant med 20 millimeter sider og et 4-8 millimeter rektangel, der fungerer som indløbet af den firkantede ballon. At laser skære og svejse det firkantede mønster ud af TPU lag, i laserskærer software, indstille hastighed og magt til 10%, og pulser per tomme til 500 for hver værdi af magt.Skær enden af indløbet af den firkantede ballon med en saks og indsæt en nål inde i den firkantede ballon indløb. Påfør lim omkring indløbet og pak ind- og nålen med PTFE tape. Efter at limen tørre i fem minutter, puste ballonen med en præcis væske dispenser, indtil det brister for at identificere den gennemsnitlige burst tryk af den firkantede ballon.For at fremstille aktuatoren skal du designe det ønskede aktuatormønster ved hjælp af computerassisteret software og fremhæve alle designsegmenterne. På proceslinjen under sektionen egenskaber skal du ændre linjevægten for det valgte design til nul millimeter i softwaren og vælge Udskriv, der ændrer printernavnet til VLS2.30 i menuen. Vælg papirstørrelsen som brugerdefineret liggende i printerindstillingerne.Og i afsnittet afbildningsskala skal du fravælge indstillingen Tilpas til papir og skalere billedstørrelsen til én millimeter for én enhed af længde. I afbildningsforskydningsoprindelsessættet til udskriftsområde skal du kontrollere midten af plotindstillingen og trykke på tænd/sluk-knappen for at tænde for luftfilteret. Tænd laserskæreren, og i laserskærersoftwaren skal du indstille strømmen til 80 % hastigheden til 60 % og impulserne pr. tomme til 500.Brug derefter fokusvisningsværktøjet til at flytte lasermarkøren til øverste venstre hjørne og nederste højre hjørne af mønsteret for at sikre, at hele mønsteret passer ind i de forberedte laminerede TPU-film. Hvis du vil fokusere lasermaskinen, skal du flytte objektivvognen til midten af bordet og placere fokusværktøjet på bordet. Flyt bordet op, indtil toppen af fokusværktøjet rører forsiden af linsevognen, og flyt tabellen langsomt op, indtil objektivvognen rammer fokusværktøjets hak og støder værktøjet fremad.Uden at ændre placeringen af TPU ark, reducere laser cutter hastighed til 55% øge strømmen til 85%, og holde pulser per tomme til 500 og køre laseren igen. Derefter indstille hastigheden til 50% øge strømmen til 90%, og holde pulser per tomme på 500 for en tredje kørsel af laseren for at sikre, at der ikke er nogen lækager i aktuatoren. For at binde en dispensernål i rustfrit stål med en Luer-låseforbindelse skal du skære enden af ballonaktuatoren med indløbssaks og indsætte en nål inde i ballonaktuatorindgangen.Påfør lim omkring nålen og aktuator og wrap PTFE tape omkring forbindelsen. Når limen er tørret, monteres et kamera over aktuatoren i en tilstrækkelig afstand, så aktuatoren er i fuld visning af kameraet i både tryk- og ikke-trykstaterne, og hold aktuatoren i en retning, så dens afbøjning ved tryk er ortogonalt til kameraet. Øg aktuatorens tryk med en præcis væskedispenser, indtil den afbøjer i hele sit sortiment uden at sprænge.Derefter øge aktuatortrykket, indtil den når omkring 20% af sit fulde sortiment og bemærk trykket. Endelig tage et billede af aktuatoren og bruge et billedbehandling software program til at måle X og Y koordinater af spidsen af aktuatoren i billedet. Efter at trykket og koordinatmålingen er gentaget, indtil der er nået et komplet udvalg af aktuatorafbøjning, afbildes en XY-graf over aktuatorens afbøjning i forhold til inflationstrykket.Rynker i lamineret plader kan resultere i problemer med limning under laserskæring trin. Derfor er det afgørende for reproducerbare resultater at sikre en perfekt glat overflade. Her vises et 2D-design af den pneumatiske aktuator, der tegnes ved hjælp af et computerstøttet designprogram.Ved hjælp af laserskæring kan den laminerede firelagsstak af TPU skæres og svejses, så den passer til 2D-aktuatordesignet som vist. For at binde aktuatoren til en lufttilførselsenhed kan der indsættes en nål i rustfrit stål i aktuatoren, og aktuatorens grænseflade og nålen i rustfrit stål kan pakkes tæt ind med PTFE-tape for at forhindre lækage. Endelig ved hjælp af en digital væske dispenser, kan den pneumatiske aktuator pustes op til et tryk på fem pounds per kvadrattomme at tillade observation af en afbøjning i den region, hvor rækken af linjer blev designet.I betragtning af disse, som dens design kan itereres, denne teknik har potentiale til at udvide brugen af tynde bløde aktuatorer til mange områder af undersøgelser.

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application

Syntese og karakterisering af høj c-aksen ZnO Thin film efter Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System og dets UV Fotodetektor Ansøgning

In this study, zinc oxide (ZnO) thin films with high c-axis (0002) preferential orientation have been successfully and effectively synthesized onto ...

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

Fabrication Processen med silikone-baserede Dielektriske Elastomer aktuatorer

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

SSVEP-baserede Eksperimentel Procedure for Brain-robot Interaktion med menneskelignende robotter

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light Actuators ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Â Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light aktuatorer - Fabrikation og Kontrol af aktivering i Mikroskopisk Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography

Additive Manufacturing af funktionelt Graded keramiske materialer ved Stereolithography

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Fabrikation af bløde pneumatisk netværk aktuatorer med skrå kamre

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle

Strukturelle Design og fremstilling af en Cruiser klasse Solar køretøj

Cruisers are multi-occupant solar vehicles that are conceived to compete in long-range (over 3,000 km) solar races based on the best compromise between ...

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 Thin-film Solar Cells

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in CuIn,GaSe2 Thin-film Solar Cells

Fabrikation af robust nanoskala kontakt mellem en sølv Nanowire elektrode og CdS buffer lag i Cu (in, GA) Se2 tynde film solceller

Silver nanowire transparent electrodes have been employed as window layers for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Bare silver nanowire electrodes ...

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Fremstilling af kulstofbaserede ioniske elektromekanisk aktive softaktuatorer

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

Fremstilling, kontrol og evaluering af ydeevne af en Gecko-inspireret soft robot

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...