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

אנו מודים למכון דלית לדימות לב וכלי דם למימון העבודה הזאת.

1. החלקת גליונות TPU על-ידי לחיצה על חום
<ol><li>כיול חיישן כוח לשימוש במכבש החום.<ol>
<li>כריך חיישן הכוח בין שתי שכבות של סיליקון (50 mm x 50 מ"מ x 3 מ"מ עובי). מניחים את חיישן הכוח ואת שכבות סיליקון בין platens דחיסה/anvils של מכונת מתיחה. להקטין את המרחק בין גלילים על ידי הפיכת כפתור החום ללחוץ על כיוון השעון ולכתוב את הכוח ואת ההתנגדות של החיישן.</li>
		<li>למדוד את האזור של החיישן באמצעות קליבר דיגיטלי ולחלק את ערכי הכוח על ידי שטח נמדד כדי להשיג את נתוני הלחץ. להתאים קו לינארי ללחץ לעומת התנגדות נתונים באמצעות גיליון אלקטרוני כדי לכייל את החיישן.</li>
	</ol>
</li>
	<li>מניחים את חיישן הכוח בתוך הלחץ החום ולהפוך את כפתור הלחץ עד לחץ של ~ 200 kPa הוא קרא מן החיישן.</li>
	<li>ללבוש כפפות כדי למנוע כל זיהום של הסרטים TPU.</li>
	<li>חותכים ארבע שכבות של TPU עם מספריים או חותך לייזר כדי להתאים את לוחות הלחץ החום (30 מ"מ x 30 מ"מ). הצב את ארבעת הגיליונות כך שכל ארבעת הקצוות יהיו מיושרים.</li>
	<li>מניחים את הסדינים TPU בתוך מכבש החום.</li>
	<li>הגדר את טמפרטורת לחץ החום עד ~ 200 ° פ' (~ 93 ° c). . תסגור את הלחץ התרמי במלואו</li>
	<li>שמור את הסרטים בתוך העיתונות החום במשך 10 דקות. פתח את הלחץ החום ולהסיר את הסרטים TPU למינציה להיות חיתוך לייזר בשלב 3.12.</li>
</ol>2. מציאת פרמטרי הלייזר האופטימליים
<ol><li>כמתואר בסעיף 1, החום להקיש שתי שכבות של TPU.</li>
	<li>באמצעות עיצוב בעזרת מחשב (CAD) תוכנה, לעצב ריבוע עם 20 מ"מ הצדדים ומלבן של 4 מ"מ x 8 מ"מ שישמש כפרץ של הבלון המרובע.</li>
	<li>לייזר לגזור/לרתך את תבנית הריבוע משלב 2.2 מתוך שכבות TPU משלב 2.1 באמצעות ההגדרות הבאות בתוכנת חותך לייזר: להגדיר פולסים לאינץ ' (PPI) כדי 500, לשנות את הכוח מ 10% כדי 100%, ועל כל ערך של כוח לשנות את המהירות מ 10% כדי 100%.</li>
	<li>חותכים את קצה הפרץ של הבלון המרובע עם מספריים.</li>
	<li>הכנס מחט בתוך הבלון בלון מרובע, להחיל דבק (לוח חומרים) סביבו, ולעטוף את הקלטת polytetrafluoroethene (מצופה) סביב החיבור. הערה: לאחר 5 דקות הוא מוכן לשימוש.</li>
	<li>לזהות את הלחץ פרץ ממוצע של הבלון המרובע על ידי מנפח אותו עם מנפק נוזל מדויק.</li>
	<li>הגבר את הלחץ של הבלון באמצעות מתקן הנוזלים המדויק עד שהוא מתפוצץ. למדוד ולכתוב את הלחץ פרץ. חזור על שלב זה 5x ולקבל את הלחץ פרץ ממוצע.</li>
	<li>חזור על שלבים 2.1-2.7 לטווח המלא של ערכי החשמל והמהירות וזהה את לחץ הפרץ המרבי של הבלון המרובע ואת ערכי המהירות המשויכים לעוצמת הלייזר והעוצמה המשויכת לו.</li>
</ol>3. בדיית הפעילים על ידי חיתוך לייזר/ריתוך
<ol><li>עצב את תבנית המפעיל הרצויה באמצעות תוכנת CAD. הערה: AutoCAD 2017 משמשת בפרוטוקול זה.</li>
	<li>בחר את העיצוב כולו בתוכנת ה-CAD על-ידי סימון כל המקטעים של העיצוב.</li>
	<li>בשורת המשימות תחת המקטע מאפיינים , שנה את עובי הקו ל-0 מ"מ כדי שהתוכנה תודפס בהצלחה לחותך הלייזר.</li>
	<li>משורת המשימות, בחר באפשרות ' הדפס'. שנה את שם המדפסת ל-"VLS 2.30" בתפריט.</li>
	<li>בהגדרות המדפסת, בחר את גודל הנייר כנוף המוגדר על-ידי המשתמש.</li>
	<li>במקטע שינוי קנה מידה , בטל את הסימון באפשרות התאמה לנייר ולאחר מכן שנה את גודל התמונה כ-1 מ"מ = יחידת אורך אחת.</li>
	<li>באפשרות ' היסט התוויה ' (מקור מוגדר לאזור הניתן להדפסה) בדוק במרכז האפשרויות ' התוויה '.</li>
	<li>הפעל את מסנן האוויר על-ידי לחיצה על לחצן ההפעלה.</li>
	<li>הפעל את חותך הלייזר על-ידי לחיצה על לחצן ההפעלה או על-ידי לחיצה על סמל הכוח בתוכנת לוח הבקרה האוניברסלי של מערכת לייזר .</li>
	<li>באפשרות ההגדרה , הגדר את המהירות = 60%, PPI = 500 וכוח = 80%. הערה: ייתכן שיהיה צורך לשנות פרמטרים אלה בהתאם לעוצמת הלייזר הספציפית של המערכת הנמצאת בשימוש.</li>
	<li>באמצעות הכלי מוקד תצוגה , הזז את מצביע הלייזר לפינה העליונה השמאלית ולפינה הימנית התחתונה של התבנית כדי לוודא שהתבנית השלמה מתאימה בתוך סרטי tpu למינציה (30 מ"מ x 30 מ"מ) שבוצעו בשלב 1.10.</li>
	<li>כדי למקד את מכונת הלייזר, הזז את מנשא העדשה לאמצע השולחן. הנח את כלי המיקוד על השולחן והעבר את הטבלה עד שראש הכלי המיקוד יגע בחזית המנשא. לאחר מכן, הזז את השולחן באיטיות עד שעגלת העדשה תפגע בחריץ של כלי המיקוד וייתקל בה קדימה. הערה: הלייזר ממוקד ומוכן לשימוש עם הפרמטרים ב-3.11.</li>
	<li>מבלי לשנות את המיקום של גיליון TPU, להפעיל את הלייזר שוב, אבל להקטין את המהירות = 55%, להגדיל את העוצמה = 85%, ולשמור על PPI = 500.</li>
	<li>בצע הפעלה שלישית של הלייזר כדי להבטיח שאין דליפות במפעיל. הגדר את המהירות = 50%, להגדיל את העוצמה = 90%, ולשמור PPI = 500.</li>
</ol>4. מחטי מליטה מפלדת אל חלד עם חיבור מנעול של Luer
<ol><li>חותכים את הקצה למפעיל הבלון עם מספריים.</li>
	<li>הכניסו מחט לתוך מנוע הבלון, החילו סביבו דבק, ועטפו את הסרט החוצה בחיבור. הערה: לאחר 5 דקות הוא מוכן לשימוש.</li>
</ol>5. אפיון הפעילים הרכים
<ol><li>טעינת מצלמה מעל המפעיל במרחק מספיק כך שהמפעיל יהיה בתצוגה מלאה בתוך המצלמה הן במצבי הלחץ והן במצב הלחץ.</li>
	<li>החזיקו את המפעיל בכיוון שכזה, שהיא הטיה על הלחץ מצביעה על המצלמה.</li>
	<li>הגדילו את הלחץ של המפעיל בעזרת מנפק נוזלי מדויק עד שהוא מסיט את הטווח המלא שלו מבלי להתפרץ. להניח את הטווח המלא כמו הסטה המרבי של המפעיל ללא דפורמציה פלסטיק או דליפה או מתפרץ עקב האינפלציה.</li>
	<li>הגבר את לחץ המפעיל עד שיגיע ל-20% מהטווח המלא וכתוב את הלחץ.</li>
	<li>צלם תמונה של המפעיל באמצעות המצלמה משלב 5.1, ולאחר מכן השתמש בתוכנת עיבוד תמונה (לדוגמה, imageJ) כדי למדוד את הקואורדינטות X ו-Y של קצה המפעיל בתמונה.</li>
	<li>חזור על שלבים 5.4 ו-5.5 עד להגיע לטווח המלא של הטיה למפעיל.</li>
	<li>התווה גרף X-Y של הטיה של המפעיל לעומת לחץ האינפלציה באמצעות תוכנת התוויית נתונים.</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>

. למחברים אין מה לגלות

השלבים הקריטיים בייצור הפעילים הרכים כוללים: i) עיצוב ה-CAD הדו. פריסה דו-ממדית נכונה יכולה להכתיב את הדפורמציה של המפעיל (לדוגמה, ליניארי, מכופף, כיפוף ותנועה סיבובית). ii) למינציה של שכבות TPU. הסרטים TPU הם לחצה חום לפני חיתוך לייזר כדי לוודא את השכבות הן שטוחות במגע הרשמי בכל מקום. iii) לייזר לגזור/ריתוך. כשלב הסופי, שכבות TPU למינציה לחתוך/מרותך לתוך מפעילים רכים.
שיעור ההצלחה של הפרוטוקול יכול להפיק 100% תשואה (למשל, עשינו 20 מפעילים בו). הגורם העיקרי הוא שלב למינציה: כדי להשיג את התוצאות הטובות ביותר, TPU צריך להיות משוטח ככל האפשר לפני תהליך הלחץ החום.  בדיקת אזורים שונים של לוחית הלחץ החום עם חיישן כוח עשוי להראות כי התפלגות הלחץ אינו אחיד. התפלגות הלחץ לא אחיד יכול לגרום למינציה מושלמת של גיליונות TPU, אשר בתורו תוצאות חיתוך לייזר מושלם/ריתוך ו דליפה. לחילופין, העברת חום לא אחידה עקב קמטים קטנים בסרט TPU במהלך חיתוך לייזר/ריתוך יכול לגרום לדליפה.
בהשוואה לשיטות המקובלות, השיטה המוצעת כוללת מספר יתרונות, כולל: i) עיצוב דו-ממדי פשוט. בעוד השיטה הנוכחית דורשת רק 2D עיצובים CAD לייזר לגזור/לרתך את הפעילים (דפוסים שונים זמינים1), שיטות הייצור המקובלת המבוססות על יציקת סיליקון דורשים עיצוב עובש תלת-ממדי. ii) ייצור מהיר. זמן ייצור מ-CAD עיצוב למינציה של שכבות TPU וחיתוך לייזר/ריתוך יכול לקרות בתוך מספר דקות, בעוד שיטת הייצור המקובלת ייקח מספר שעות. על-ידי מתן אפשרות לייצור מכשירים רכים ורובוטים רכים בצעד אחד, ללא הרכבה, רובוטים והתקנים רכים יכולים להיות מתוכננים משילוב של סוגים שונים של מפעילים, ומודל CAD יכול להיות לייזר לחתוך/מרותך לתוך המוצר הסופי בשלב אחד ללא צורך בהרכבה כלשהי. למשל, רובוט שוחה, מורכב ארבע רגליים כל אחד המורכב משני סוגים של כיפוף מפעילים, הוא המציא מתוך עיצוב CAD 2D בתוך כמה דקות ללא צורך בשלבי הרכבה, כפי שהפגינו בעבר1.
ככיוון עתידי של עבודה זו, סוגים שונים של חומרים תרמופלסטיים יכול להיות מאומץ עבור הייצור של מפעילים רכים. בדרך כלל, חומרים אלה צריכים להיות התנהגות אלסטית לשמש כפעילים. היישום של חומר תרמופלסטי התפר יגרום ללחץ פרץ גבוה יותר כוח חסימה גבוהה של מפעילים לעומת אלה שאפיינו בעבר איור S6 של מוע'דאם ואח '1, מראה כוחות עד 0.1 N. לפיכך, הוא יכול להאריך את היישום של הפעילים במקרים שבהם נדרש כוח חסימה גבוה יותר, כגון סוויטות שלד חיצוני.

כצעד קדימה בייצור של כוננים פנאומטיים רכים, השיטה המוצעת ממחישה את הייצור המהיר של ודק (~ 70 μm) מפעילים פנאומטיים של פוליאוריטן תרמופלסטיים (tpu)1. מפעילים אלה שימושיים במיוחד ביישומים הדורשים את הרובוטים להיות קל ו/או בכושר בתוך חללים קטנים. יישומים כאלה יכולים להיות מדומה להיות החוצה מניפולטק כירורגי, מפעילים לבישים, החיפוש ורובוטים ההצלה, ו המעופף או שחייה רובוטים.
שיטת הייצור המקובלת של מפעילים פנאומטיים רכים דקים, אשר מבוססת על היציקה סיליקון, הוא זמן רב (מספר שעות) ומאתגר מאוד בשל הרזולוציה הנמוכה של התבניות המודפסות 3D וקשיים בדמולדינג של דק (פחות מ 0.5 מ"מ) מפעילים. במיוחד, הייצור של מפעילים דקים דורש יישום של כלים מיוחדים ושיטות2.
טכניקות מיקרוייצור ניתן לאמץ כדי להמציא מפעילים דקים3,4,5,6,7. לחילופין, איצ'י ואח ' פיתחו מפעילים פניאומטיים דקים באמצעות הטבעה מיקרו ממברנה8. שיטות אלו, למרות האפקטיביות, דורשות כלים יקרים וצורכת זמן רב. לכן, יש להם יישומים מוגבלים.
Paek ואח ' הפגינו שיטה פשוטה לייצור מפעילים רכים בקנה מידה קטן באמצעות ציפוי מטבל של תבניות גליליות2. למרות יעיל, יש שתי בעיות עם יישום נרחב של שיטה זו: ראשית, זה לא קל לשלוט על העובי של תכונות מצופה לטבול, ושנית, היישום שלה מוגבל למספר מוגבל של תלת מימדי (3D) עיצובים.
מפעילים peano9,10 ו כיס מנועים11,12 יש קומפקטית דו-ממדית (2d) עיצובים הנובעים גורמים בצורת דק (כלומר, אזורים גדולים עם עובי קטן). Veale et al מדווחים על פיתוח של מפעילים לינאריים מפלסטיק ומוצרי סיליקון מחוזקיםבסיליק1,8. ניאיאמה ואח ' פיתחה מנועי כיס מפותחים בסרטים תרמופלסטיים המיוצרים על ידי הטבעת חום ומערכות ציור חום11,12.
בעוד העיצוב 2D של מנועי Peano ומנועים הכיס עושה אותם דקים מאוד במצב הבלתי מחושב שלהם, על האינפלציה החדר שלהם אפס נפח מתרחב לנפח גדול יחסית, ובכך להגביל את היישום שלהם לתפעול בחללים מוגבלים כגון טיפולים העבר או חיפוש והצלה משימות1. בניגוד עיצובים אלה, הציע מפעילים רכים בשיטה הנוכחית יכול להיות הגשמה עם זנים קטנים יחסית. כך, גם במצב האקטואלי הם מאכלסים חללים קטנים יחסית1.

<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

פרוטוקול זה מתאר שיטה לייצור מהיר של כוננים פנאומטיים רכים ורובוטים עם מארז בצורת אולטרה דק באמצעות מכבש חום ומכונת חותך לייזר. השיטה מתחילה עם למינציה של יריעות תרמו תרמופלסטיים (TPU) באמצעות מכבש חום במשך 10 דקות בטמפרטורה של ~ 93 ° c. הבא, הפרמטרים של מכונת חותך לייזר ממוטב לייצר בלון מלבני עם מקסימום לחץ פרץ. באמצעות הפרמטרים אופטימיזציה, מפעילים רכים לייזר לגזור/מרותך שלוש פעמים ברציפות. בשלב הבא, מחט מלאה מחוברת למפעיל, ומאפשרת לו להיות מנופח. ההשפעה של פרמטרים גיאומטריים על הטיה של המפעיל נלמדים באופן שיטתי על-ידי שינוי רוחב ואורך הערוץ. לבסוף, הביצועים של המפעיל מאופיין במצלמה אופטית ומתקן נוזלי. שיטות הייצור הקונבנציונליות של מפעילים פניאומטיים רכים המבוססים על יציקת סיליקון הם זמן רב (מספר שעות). הם גם יוצרים מפעילים חזקים אך מגושם, המגבילים את יישומי המפעיל. יתר על כן, מיקרובייצור של מפעילים פנאומטיים דקים הוא זמן רב ויקר. שיטת הייצור המוצעת בעבודה הנוכחית פותרת בעיות אלה על-ידי החדרת שיטת ייצור מהירה, פשוטה וחסכונית של מפעילים פניאומטיים מתנפחים.

כדי להדגים את השיטה המוצעת, אנו מראים את הייצור של מפעיל כיפוף יחיד. כדי להמציא מפעיל זה, ארבעה גיליונות של TPU של הממד 25 ס"מ x 25 ס"מ נחתכו, מוערמים יחד, ולאחר מכן החליק באמצעות מכבש חום (איור 1A). בעקבות הפרוטוקול, לחץ החום הוחל 10 דקות בטמפרטורה קבוע של 200 ° פ'. קמטים בסדינים למינציה יכול לגרום לבעיות עם התחברות במהלך השלב חיתוך לייזר, ולכן להבטיח משטח חלקה לחלוטין הוא קריטי לתוצאות הנוזלה. לדוגמה, איור 1B מציג למינציה כתוצאה שמכילה קמטים שלא יפיקו תוצאות רצויות, בעוד שתרשים 1b מציג למינציה כתוצאה מספיק כדי להפיק את התוצאות הרצויות.
העיצוב הדו של המפעיל הפניאומטי צויר ב-AutoCAD. המפעיל הזה נעשה פשוט על ידי ציור מלבן של 8 מ"מ x 150 מ"מ. דפוס ליניארי של שמונה שורות, כל 1.34 מ"מ ארוך, נוספה למרכז העיצוב עם מרווח של 10 מ"מ (מודגש אדום באיור 2). לבסוף, פתיחת המפעיל (המסומן בכחול באיור 2) תוכננה על ידי הוספת מלבן פתוח של 4 מ"מ x 8 מ"מ. קובץ AutoCAD (. dwg) עבור מבצע ליניארי לדוגמה זה זמין בחומר המשלים.
מחסנית ארבע שכבות למינציה של TPU הוצב אז במכונת חיתוך לייזר (איור 3A) ועיצוב 2d יובא באמצעות התוכנה של מכונת חיתוך לייזר. כלי המיקוד על חותך הלייזר אימת את ההתאמה של מיקום הציור הדו בגליונות tpu למינציה. להפעלה ראשונה, לחתוך את הלייזר הוגדר במהירות = 60%, כוח = 80%, ו PPI = 500. ברגע שהוא הושלם, מבלי לשנות את המיקום של גיליונות פוליאוריטן, הפעלה שנייה עם הגדרות חדשות החלה במהירות = 55%, כוח = 85%, ו PPI = 500. אותו תהליך חזר עם הגדרות חדשות בפעם השלישית במהירות = 50%, כוח = 90% ו-PPI = 500. הפחתת המהירות והגדלת הכוח חושף את המפעיל הפניאומטי למקור החום במשך זמן רב יותר ומאפשר לו להמיס ולהתחבר כדי להבטיח בלון ללא דליפה שיכול להתנתק משאר גיליון TPU בקלות (איור 3B). יש לציין כי חותך הלייזר הוא תמיד בו חיתוך וריתוך TPU; הגזירה והריתוך לא נעשים בשלבים נפרדים או מושגת על ידי הגדרות שונות.
על מנת לזוג את המפעיל ליחידת אספקת אוויר, פתח המפעיל נחתך עם מספריים ו מחט נירוסטה (איור 4B) הוכנס בין השכבות השנייה והשלישית של המפעיל לייזר לחתוך. כדי לשמור על מערכת נטולת דליפה, החלק החיצוני של המחט היה מכוסה דבק מראש (איור 4C). לאחר מכן הממשק של המחט למפעיל ופלדת אל-חלד היה עטוף בחוזקה עם מעטפת (איור 4D).
לבסוף, באמצעות מנפק נוזל דיגיטלי, המפעיל הפניאומטי (איור 5A) התנפח ללחץ של 5 psi להתבונן הטיה באזור שבו מערך הקווים תוכנן (איור 5a).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig1.jpg"> איור 1: מחממים סדינים לוחצים. (א) תמונה של העיתונות החום עם יריעות tpu להיות למינציה. (ב) תמונה לדוגמה של גיליונות למינציה לקוי עם קמטים מוגזמת. (ג) תמונה לדוגמה של גיליונות שלמינציה בהצלחה עם משטח חלק. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig2.jpg"> איור 2: עיצוב מפעיל. תמונה של ציור CAD המשמש ליצירת מפעיל כיפוף יחיד. העיצוב התחתון מציג את קווי המתאר של המפעיל, העיצוב האמצעי מציג קו בודד שנוסף כתכונת כיפוף, והעיצוב העליון מציג את המפעיל המלא. התיבה האדומה מדגישה את התכונות היוצרות את אזור הכיפוף של המפעיל. התיבה הכחולה מדגישה את האזור לחיבור מחט לצורך הלחץ. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig3.jpg"> איור 3: חותך לייזר. (א) תמונה של הסדינים למינציה בחותך לייזר. (ב,ג) תמונה של המפעיל להסרה לאחר חיתוך לייזר. (ג) תמונה של המפעיל. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig4.jpg"> איור 4: חיבור מחט. תמונות המתארות את השלבים לחיבור מחט קהה (א) למפעיל בלון באמצעות דבק (ב) כדבק. המחט מוכנס לקצה הצר של המפעיל, הנפתח באמצעות מספריים (C) וחתום באמצעות משטייפ (D). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig5.jpg"> איור 5: כיפוף למפעיל. (א) תמונה של המפעיל במצב בלתי מווסת. (ב) תמונה של המפעיל במצב לחצים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
חומר משלים.   <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/JOVE_PAPER.dwg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</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

פרוטוקול זה מתאר שיטה לייצור מהיר של מפעילים פנאומטיים רכים ורובוטים עם גורם אחיד דק. שיטת הייצור מתחיל עם למינציה של פוליאוריטן תרמופלסטיים (TPU) גיליונות ואחריו חיתוך לייזר/ריתוך של דפוס דו מימדי כדי ליצור מפעילים ורובוטים.

הייצור המהיר של הפעילים הפניאומטיים והרובוטים הדקים

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 ...

שיטה מהירה זו משתמשת בחותך לייזר ופוליאוריטן תרמופלסטי כדי להמציא מפעילים רכים ודקים עם גיאומטריה וגדלים שרירותיים. היתרון העיקרי של הטכניקה הוא שהיא מאפשרת תכנון מהיר והמצאה של מפעילים רכים ודקים מרובים ואבי טיפוס רובוטיים במקביל. כדי לכייל חיישן כוח לשימוש בלחץ החום, מקם תחילה מגלשת זכוכית על חיישן הכוח והקל עליו.תכתוב את הכוח וההתנגדות של החיישן ותשתמש בקליפר דיגיטלי כדי למדוד את אזור החיישן. לאחר מכן כייל את החיישן על-ידי חלוקת ערכי הכוח לפי האזור הנמדד כדי להשיג את נתוני הלחץ ולהשתמש בגיליון אלקטרוני כדי להתאים קו ליניארי ללחץ לעומת נתוני ההתנגדות. לאחר מכן, כריך את חיישן הכוח בין שתי שכבות של 50 על 50 על 3 מילימטר סיליקון, למקם את השכבות בתוך מכת החום, ולהפוך את כפתור הלחץ עד לחץ של כ 200 קילופסקלים נקרא מן החיישן.כדי לחמם את הסרטים TPU, לשים על כפפות לחתוך ארבע 30 על ידי 30 מילימטר שכבות של החומר. מקם את ארבעת הסדינים כך שכל ארבעת הקצוות מיושרים והצב את הסדינים בתוך מכת החום. הגדר את הטמפרטורה של מכת החום על 93 מעלות צלזיוס ולסגור את מכת החום במלואה.שמור את הסרטים בתוך העיתונות במשך 10 דקות לפני פתיחת העיתונות והסרת סרטי TPU למיין. כדי לקבוע את פרמטרי הלייזר האופטימליים, השתמש בתוכנית תכנון בעזרת מחשב כדי לתכנן ריבוע עם צדדים של 20 מילימטר ומלבן ארבעה על שמונה מילימטרים שישתלב כמפרצון הבלון המרובע. כדי לחתוך ולרתך בלייזר את התבנית המרובעת משכבות ה- TPU, בתוכנת חותך הלייזר, הגדר את המהירות והעוצמה ל- 10% ואת הפולסים לאינץ' ל- 500 עבור כל ערך של כוח.חותכים את קצה הכניסה של הבלון המרובע עם מספריים ולהכניס מחט בתוך הכניסה בלון מרובע. החל דבק סביב ההיכנס ולעטוף את המשטחים ואת המחט עם קלטת PTFE. לאחר מתן אפשרות לדבק להתייבש במשך חמש דקות, מנפחים את הבלון עם מתקן נוזלים מדויק עד שהוא מתפרץ כדי לזהות את לחץ הפרץ הממוצע של הבלון המרובע.כדי להמציא את מפעיל, לעצב את דפוס מפעיל הרצוי באמצעות תוכנה בסיוע מחשב ולהדגיש את כל המקטעים של העיצוב. בשורת המשימות תחת מקטע המאפיינים, שנה את משקל הקו של העיצוב הנבחר לאפס מילימטרים בתוכנה ובחר הדפס שינוי שם המדפסת ל- VLS2.30 בתפריט. בהגדרות המדפסת, בחר את גודל הנייר כנוף המוגדר על-ידי המשתמש.ובסעיף קנה המידה של ההתוויה, בטל את הבחירה באפשרות התאם לנייר וקנה את גודל התמונה למילימטר אחד ליחידת אורך אחת. במקור היסט ההתוויה מוגדר לאזור הניתן להדפסה, בדוק את מרכז אפשרות ההתוויה ולחץ על לחצן ההפעלה כדי להפעיל את מסנן האוויר. הפעל את חותך הלייזר ובתופעת חותך הלייזר, הגדר את הה הספק ל- 80% מהמהירות ל- 60% ואת הפולסים לאינץ' ל- 500.לאחר מכן השתמש בכלי תצוגת המוקד כדי להזיז את מצביע הלייזר לפינה השמאלית העליונה ולפינה הימנית התחתונה של דוגמת המילוי כדי לוודא שכל התבנית מתאימה לסרטי ה- TPU למיין המוכנים. כדי למקד את מכונת הלייזר, הזז את עגלת העדשה לאמצע הטבלה והצב את כלי המיקוד על השולחן. הזז את הטבלה למעלה עד שהחלק העליון של כלי המיקוד ייגע בחלק הקדמי של עגלת העדשה והזז את השולחן לאט עד שכרכרת העדשה תגיע לצמרת כלי המיקוד ותבליט את הכלי קדימה.מבלי לשנות את המיקום של גיליון TPU, להקטין את מהירות חותך לייזר ל 55% להגדיל את הכוח ל 85%ולשמור על פולסים לאינץ 'ל 500 ולהפעיל את הלייזר שוב. לאחר מכן הגדר את המהירות ל- 50%להגדיל את הה הספק ל- 90%ולשמור על פולסים לאינץ' ב- 500 עבור ריצה שלישית של הלייזר כדי להבטיח שלא יהיו דליפות ב מפעיל. כדי לקשר מחט חלוקת נירוסטה עם חיבור מנעול לואר, לחתוך את הקצה של מפעיל הבלון עם מספריים הכניסה ולהכניס מחט בתוך הכניסה מפעיל בלון.החל דבק סביב המחט והתופעה ולעטוף סרט PTFE סביב החיבור. כאשר הדבק התייבש, הר מצלמה מעל מפעיל במרחק מספיק, כך מפעיל הוא בתצוגה מלאה של המצלמה הן במצבים בלחץ ולא דחוס שלה להחזיק את מפעיל בכיוון כך הסטה שלה על לחץ הוא אורתוגונל למצלמה. הגבר את הלחץ של מפעיל עם מתקן נוזלים מדויק עד שהוא מסיט לתוך הטווח המלא שלה מבלי להתפוצץ.לאחר מכן מגבירים את לחץ מפעיל עד שהוא מגיע כ 20% של הטווח המלא שלה לציין את הלחץ. לבסוף, צלם תמונה של מפעיל ולהשתמש בתוכנה לעיבוד תמונה כדי למדוד את הקואורדינטות X ו- Y של קצה מפעיל בתמונה. לאחר חזרה על מדידת הלחץ והתיאום עד להגעת טווח מלא של הסטת מפעיל, התווה גרף XY של הסטת ההטמה של מפעיל לעומת לחץ האינפלציה.קמטים בסדינים למין יכול לגרום לבעיות עם מליטה במהלך שלב חיתוך לייזר. לכן, הבטחת משטח חלק לחלוטין היא קריטית לתוצאות לשחזור. כאן, עיצוב דו-מימדי של מפעיל פנאומטי כפי שצויר באמצעות תוכנית עיצוב בעזרת מחשב מוצג.באמצעות חיתוך בלייזר, ניתן לחתוך ולרתך את הערימה המוארכת בת ארבע השכבות של TPU כך שתתאים לעיצוב מפעיל פנאומטי דו-ממדי כפי שהוכח. כדי זוג מפעיל ליחידת אספקת אוויר, מחט נירוסטה ניתן להכניס לתוך מפעיל ואת הממשק של מפעיל מחט נירוסטה ניתן לעטוף בחוזקה עם סרט PTFE כדי למנוע דליפה. לבסוף, באמצעות מתקן נוזלים דיגיטלי, מפעיל פנאומטי יכול להיות מנופח ללחץ של חמישה קילוגרמים לאינץ 'מרובע כדי לאפשר תצפית של הסטה בתוך האזור שבו מערך הקווים תוכנן.בהתחשב אלה שבהם ניתן לחזור על העיצוב שלה, טכניקה זו יש פוטנציאל להרחיב את השימוש מפעילים רכים דקים עבור תחומים רבים של מחקרים.

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

סינתזה ואפיון של c-הציר הגבוה ZnO Thin Film ידי פלזמה משופרת מערכת הפקדת כימית החמקן וUV גלאי אור יישומה

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

תהליך ייצור של מפעילי אלסטומר דיאלקטרי מבוסס סיליקון

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 מבוסס נוהל ניסיון לאינטראקצית המוח-רובוט עם רובוטים דמויים אדם

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

מתנעים אור בצורה חופשית - ייצור ובקרה של Actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי

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

כתוסף בייצור חומרי קרמיקה פונקציונלית מדורגת על ידי 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

ייצור של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם המלוכסן צ'יימברס

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

תכנון וייצור של ספינת-קרב כיתה רכב סולארי

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

הייצור של הקשר ננו בקנה מידה חזק בין אלקטרודות כסף ננו ושכבת מאגר תקליטורים Cu (ב, Ga) Se2 דק-סרט תאים סולריים

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

הייצור של מפעיל פחמן מבוססי Electromechanically Active מפעילים רכים

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

ייצור, בקרה והערכת ביצועים של רובוט רך בהשראת שממית

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