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 tackar Dalio Institute of Cardiovascular Imaging för att finansiera detta arbete.

1. jämna ut TPU-bladen genom att värma
<ol><li>Kalibrera en kraftsensor som ska användas i värmepressen.<ol>
<li>Sandwich kraft sensorn mellan två lager av silikon (50 mm x 50 mm x 3 mm tjock). Placera kraft sensorn och silikon lagren mellan kompressions Platens/anvils av drag maskinen. Minska avståndet mellan Platens genom att vrida på vredet av värme tryck medurs och skriv ner kraften och motståndet av sensorn.</li>
		<li>Mät sensorns område med hjälp av en digital bromsbroms och fördela kraftvärden genom det uppmätta området för att erhålla tryckdata. Anpassa en linjär linje till data för tryck kontra resistens med hjälp av ett kalkylblad för att kalibrera sensorn.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Placera kraft sensorn inuti värmepressen och vrid på Tryck knappen tills ett tryck på ~ 200 kPa läses från sensorn.</li>
	<li>Använd handskar för att undvika kontaminering av TPU-filmerna.</li>
	<li>Skär fyra skikt av TPU med sax eller en laserskärare för att passa värme press plattorna (30 mm x 30 mm). Placera de fyra arken så att alla fyra kanterna är justerade.</li>
	<li>Placera TPU-arken inuti värmepressen.</li>
	<li>Ställ in temperaturen på värmepressen till ~ 200 ° f (~ 93 º c). Stäng värmepressen helt.</li>
	<li>Håll filmerna inne i värmepressen i 10 min. öppna värmepressen och ta bort de laminerade TPU-filmerna för laser klippning i steg 3,12.</li>
</ol>2. hitta optimala laser parametrar
<ol><li>Som beskrivs i avsnitt 1, värm Tryck två skikt av TPU.</li>
	<li>Med hjälp av datorstödd design (CAD) programvara, designa en kvadrat med 20 mm sidor och en rektangel av 4 mm x 8 mm som kommer att fungera som inloppet till den fyrkantiga ballongen.</li>
	<li>Laserskär/svetsa kvadratmönstret från steg 2,2 från TPU-lagren från steg 2,1 med följande inställningar i laserskäraren programvara: Ställ pulser per tum (PPI) till 500, variera effekten från 10% till 100%, och för varje värde av effekt varierar hastigheten från 10% till 100%.</li>
	<li>Skär slutet av öppningen av torget ballong med sax.</li>
	<li>Sätt in en nål inuti torget ballong inloppet, applicera lim (tabell över material) runt den, och Linda polytetrafluoroethene (PTFE) tejp runt anslutningen. Obs: efter 5 min den är klar att använda.</li>
	<li>Identifiera den genomsnittliga sprängtryck av torget ballong genom att blåsa upp den med en exakt vätska dispenser.</li>
	<li>Öka trycket av ballongen med hjälp av den exakta vätskan dispensern tills det brister. Mät och skriv ner sprängtryck. Upprepa detta steg 5x och få det genomsnittliga burst-trycket.</li>
	<li>Upprepa steg 2.1 − 2.7 för hela utbudet av kraft-och hastighetsvärden och identifiera det maximala sprängtryck som finns i kvadratballongen och dess tillhörande effekt-och hastighetsvärden som optimala parametrar för lasermaskinen.</li>
</ol>3. fabricera manöverdon med laserskärning/svetsning
<ol><li>Designa önskat aktiveringsmönster med hjälp av CAD-program. Obs: AutoCAD 2017 används i detta protokoll.</li>
	<li>Välj hela designen i CAD-programmet genom att markera alla segment av designen.</li>
	<li>Ändra linje vikten till 0 mm för att programvaran ska skrivas ut till laserskäraren i Aktivitetsfältet under avsnittet Egenskaper .</li>
	<li>Välj Skriv uti Aktivitetsfältet. Ändra skrivarens namn till "VLS 2.30" i menyn.</li>
	<li>I skrivarinställningarnaväljer du pappersstorlek som användardefinierad liggande.</li>
	<li>I avsnittet tomt skala avmarkerar du alternativet Anpassa till papper och skalar sedan bildstorleken till 1 mm = en längdenhet.</li>
	<li>I Plot offset (ursprung inställd på utskrivbart område) kontrollera centrera handlingen alternativet.</li>
	<li>Slå på luftfiltret genom att trycka på strömbrytaren.</li>
	<li>Slå på laserskäraren genom att trycka på strömbrytaren eller genom att klicka på Power-ikonen på programvaran Universal laser system Control Panel .</li>
	<li>Ange hastigheten = 60%, PPI = 500 och effekt = 80% i inställnings alternativet. Obs: dessa parametrar kan behöva ändras baserat på den specifika lasereffekten hos det system som används.</li>
	<li>Med fokus visnings verktyget flyttar du laserpekaren till det vänstra övre hörnet och det nedre högra hörnet av mönstret för att se till att hela mönstret passar in i de laminerade TPU-filmerna (30 mm x 30 mm) som gjorts i steg 1,10.</li>
	<li>För att fokusera lasermaskinen, flytta lins vagnen till mitten av bordet. Placera fokusverktyget på bordet och flytta bordet tills toppen av fokusverktyget vidrör framsidan av linsen vagnen. Sedan, flytta bordet upp långsamt tills linsen vagnen träffar skåran av fokusverktyget och stötar det framåt. Obs: lasern är fokuserad och klar för användning med parametrarna i 3,11.</li>
	<li>Utan att ändra positionen för TPU arket, kör lasern igen, men minska hastigheten = 55%, öka effekten = 85%, och hålla PPI = 500.</li>
	<li>Utför en tredje körning av lasern för att säkerställa att det inte finns några läckor i manöverdonet. Ställ in hastigheten = 50%, öka effekten = 90% och behåll PPI = 500.</li>
</ol>4. limning av rostfrittstål dispenseringsnålar med luer lock anslutning
<ol><li>Kapa änden av ballong ställets inlopp med sax.</li>
	<li>Sätt i en nål inuti ballong ställets inlopp, applicera lim runt den, och Linda PTFE tejp runt anslutningen. Obs: efter 5 min den är klar att använda.</li>
</ol>5. karakterisering av mjuka manöverdon
<ol><li>Montera en kamera över manöverdonet med tillräckligt avstånd så att manöverdonet är i full vy i kameran i både dess trycksatta och otrycksatta tillstånd.</li>
	<li>Håll ställdon i en riktning så att dess deformering vid trycksättning är ortogonalt till kameran.</li>
	<li>Öka trycket på manöverdonet med en exakt vätske automat tills den reflekterar i sitt fulla sortiment utan att sprängas. Anta hela sortimentet som den maximala deformationen av manöverdonet utan någon plastisk deformation eller läckage eller sprängning på grund av överinflation.</li>
	<li>Öka manöverdonets tryck tills den når ~ 20% av hela sortimentet och skriv ner trycket.</li>
	<li>Ta en bild av manöverdonet med kameran från steg 5,1 och Använd sedan ett bildbehandlings program (t. ex. imageJ) för att mäta X-och Y-koordinaterna för spetsen på manöverdonet i bilden.</li>
	<li>Upprepa steg 5,4 och 5,5 tills du når hela intervallet av manöverdonets utböjning.</li>
	<li>Rita en X-Y-Graf över ställets utböjning kontra inflationstrycket med hjälp av en plottning programvara.</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>

Författarna har inget att avslöja.

De kritiska stegen i tillverkningen av de mjuka ställdon inkluderar: i) 2D CAD-design. En ordentlig 2D-layout kan diktera deformationen av manöverdonet (t. ex. linjär, biaxiell, bockning och rotations rörelse). II) laminering av TPU-lagren. Den TPU filmer är värmen pressas innan laserskärning för att se till att lagren är platt och i konforma kontakt överallt. III) laserskurna/svetsa. Som det sista steget är de laminerade TPU-lagren laserskurna/svetsade till mjuka ställdon.
Protokollets framgång kan ge en avkastning på 100% (till exempel har vi gjort 20 manöverdon samtidigt). Den primära faktorn är laminering steg: för att få bästa resultat, bör TPU tillplattas så mycket som möjligt innan värmen press processen.  Att undersöka olika områden av värme pressplattan med en kraftsensor kan visa att tryck fördelningen inte är enhetlig. Icke-enhetlig tryckfördelning kan resultera i ofullständig laminering av TPU ark, vilket i sin tur resulterar i ofullkomliga laserskärning/svetsning och läckage. Alternativt kan en icke-enhetlig värmeöverföring på grund av små rynkor i TPU-filmen under laserskärning/svetsning orsaka läckage.
I jämförelse med konventionella metoder har den föreslagna metoden flera fördelar, bland annat: i) enkel 2D-design. Medan den nuvarande metoden kräver bara 2D CAD-konstruktioner för att laserskära/svetsa manöverdon (olika mönster finns tillgängliga1), den konventionella tillverkningsmetoder baserade på silikon gjutning kräver en 3D mögel design. II) snabb tillverkning. Tillverkningstid från CAD-design till laminering av TPU-skikt och laserskärning/svetsning kan ske i flera minuter, medan den konventionella tillverkningsmetoden kommer att ta flera timmar. Genom att tillåta tillverkning av mjuka enheter och mjuka robotar i ett enda steg, utan montering, kan mjuka robotar och apparater utformas från en kombination av olika typer av manöverdon, och CAD-modellen kan laserskäras/svetsas in i slutprodukten i ett enda steg utan att någon montering krävs. Till exempel, en simning robot, bestående av fyra ben vardera bestående av två typer av bockning manöverdon, är tillverkad av en 2D CAD-design på bara några minuter utan att kräva några monteringssteg, som tidigare visat1.
Som en framtida riktning av detta arbete, kan olika typer av termoplastiska material antas för tillverkning av de mjuka ställdon. I allmänhet måste dessa material ha elastiskt beteende som ska användas som ställdon. Tillämpningen av styvare termoplastiskt material kommer att resultera i högre sprängtryck och högre blockerande kraft av ställdon jämfört med de som tidigare karakteriserats i figur S6 av Moghadam et al.1, visar styrkor upp till 0,1 N. Således kan den förlänga tillämpningen av manöverdon till fall där högre blockerande kraft krävs, såsom exoskelett sviter.

Som ett steg framåt i tillverkningen av mjuka pneumatiska manöverdon, den föreslagna metoden illustrerar snabb tillverkning av ultratunna (~ 70 μm) pneumatiska manöverdon tillverkade av termoplastisk polyuretan (TPU)1. Dessa manöverdon är särskilt användbara i applikationer som kräver att robotarna är lätta och/eller passar inom små utrymmen. Sådana program kan vara tänkt att vara Transcatheter kirurgiska manipulatorer, bärbara manöverdon, Sök-och räddnings robotar, och flygande eller simning robotar.
Den konventionella tillverkningsmetoden av tunna mjuka pneumatiska manöverdon, som är baserad på silikon gjutning, är tidskrävande (flera timmar) och mycket utmanande på grund av den låga upplösningen av 3D tryckta formar och svårigheter i urtagning av tunna (mindre än 0,5 mm) manöverdon. I synnerhet kräver tillverkning av tunna manöverdon tillämpning av specialiserade verktyg och metoder2.
Mikrofabrikationsteknik kan antas för att tillverka tunna manöverdon3,4,5,6,7. Alternativt har Ikeuchi et al. utvecklat tunna pneumatiska manöverdon med membran mikroprägling8. Dessa metoder, även om effektiva, kräver dyra verktyg och är tidskrävande. Således har de begränsade tillämpningar.
PAEK et al. demonstrerade en enkel metod för tillverkning av småskaliga mjuka ställdon med Dopplackering av cylindriska mallar2. Även om det är effektivt, det finns två problem med utbredd tillämpning av denna metod: för det första är det inte lätt att kontrollera tjockleken på DIP-belagda funktioner, och för det andra, dess tillämpning är begränsad till ett begränsat antal tredimensionella (3D) mönster.
Peano manöverdon9,10 och Pouch Motors11,12 har kompakta tvådimensionella (2D) konstruktioner som resulterar i tunna formfaktorer (dvs. stora ytor med liten tjocklek). Veale et al. rapporterad utveckling av linjära Peano ställdon tillverkade av armerad plast och textil-silikon kompositer1,8. Niiyama et al. utvecklade påse motorer med termoplastiska filmer tillverkade av värme prägling och värme dragnings system11,12.
Medan 2D utformningen av Peano manöverdon och påse motorer gör dem mycket tunna i deras oanade tillstånd, på inflationen deras noll-volym kammaren expanderar till en relativt stor volym, vilket begränsar deras ansökan om drift i begränsade utrymmen såsom Transcatheter terapier eller Sök-och räddningsuppdrag1. I motsats till dessa konstruktioner kan de föreslagna mjuka ställdon i den nuvarande metoden aktiveras med relativt små stammar. Således även i det aktiverades tillstånd de upptar relativt små utrymmen1.

<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

Detta protokoll beskriver en metod för snabb tillverkning av mjuka pneumatiska manöverdon och robotar med en ultratunna formfaktor med hjälp av en värme press och en laser fräsmaskin. Metoden börjar med laminering av termoplastiska polyuretan (TPU) ark med en värme tryck för 10 min vid temperaturen ~ 93 ° c. Därefter är parametrarna för laser Cutter maskinen optimerade för att producera en rektangulär ballong med maximalt sprängtryck. Med de optimerade parametrarna är de mjuka manöverdonen laserskurna/svetsade tre gånger i följd. Därefter fästs en dispenseringsnål på manöverdonet så att den kan pumpas upp. Effekten av geometriska parametrar på ställdonets deformationen studeras systematiskt genom att variera kanalens bredd och längd. Slutligen kännetecknas utförandet av manöverdonet med hjälp av en optisk kamera och en vätska dispenser. Konventionella tillverkningsmetoder av mjuka pneumatiska manöverdon baserade på silikon gjutning är tidskrävande (flera timmar). De resulterar också i starka men skrymmande ställdon, vilket begränsar ställets tillämpningar. Dessutom är mikrofabrikation av tunna pneumatiska manöverdon både tidskrävande och dyrt. Den föreslagna tillverkningsmetoden i det nuvarande arbetet löser dessa frågor genom att införa en snabb, enkel och kostnadseffektiv tillverkningsmetod av ultratunna pneumatiska manöverdon.

För att demonstrera den föreslagna metoden visar vi tillverkningen av ett enda bocknings Don. För att tillverka detta manöverdon, fyra ark TPU av dimensionen 25 cm x 25 cm klipptes, staplas tillsammans, och sedan utjämnas med hjälp av en värme tryck (figur 1a). Efter protokollet applicerades värmepressen i 10 minuter vid en inställd temperatur på 200 ° f. Rynkor i laminerade lakan kan resultera i problem med limning under laserskär steget, därför säkerställa en helt slät yta är avgörande för reproducerbara resultat. Till exempel visar figur 1b en resulterande laminering som innehåller rynkor som inte ger önskat resultat, medan figur 1c visar en resulterande laminering som är tillräckligt platt för att ge önskat resultat.
Den 2D utformningen av pneumatiska ställdon drogs i AutoCAD. Detta manöverdon gjordes helt enkelt genom att rita en rektangel av 8 mm x 150 mm. Ett linjärt mönster av åtta linjer, var 1,34 mm långt, lades till mitten av konstruktionen med ett avstånd på 10 mm (markerat i rött i figur 2). Slutligen utformades öppningen av manöverdonet (markerat i blått i figur 2) genom att tillsätta en öppen rektangel med 4 mm x 8 mm. En AutoCAD-fil (. dwg) för det här provet linjära ställdon finns i kompletterande material.
Den laminerade fyr skikts stacken av TPU placerades sedan i laserskärmaskinen (figur 3a) och 2D-designen importerades med hjälp av laserskär maskinens programvara. Fokuserings verktyget på laser fräsen kontrollerade placeringen av 2D-ritningens position på de laminerade TPU-arken. För en första körning, var laserskurna inställd på hastighet = 60%, effekt = 80%, och PPI = 500. När den var klar, utan att ändra placeringen av polyuretanarken, en andra körning med nya inställningar startades vid hastighet = 55%, effekt = 85%, och PPI = 500. Samma process upprepades med nya inställningar för en tredje gång vid hastighet = 50%, effekt = 90% och PPI = 500. Att minska hastigheten och öka effekten exponerar pneumatiskt ställdon till värmekällan under en längre tid och gör det möjligt att smälta och binda för att säkerställa en läckagefri ballong som kan separeras från resten av TPU-arket lätt (figur 3b). Det bör noteras att laser Cutter är alltid samtidigt klippa och svetsa TPU; skärning och svetsning görs inte i separata steg eller uppnås genom olika inställningar.
För att koppla ställdon till en lufttillförsel, var öppningen av manöverdonet skuren med sax och en rostfri nål (figur 4b) sattes in mellan andra och tredje skikt av laserskurna ställdon. För att bibehålla ett läckagefritt system täcktes utsidan av nålen i förväg (figur 4c). Då gränssnittet av manöverdonet och rostfrittstål nål var lindade tätt med PTFE tejp (figur 4D).
Slutligen, med hjälp av en digital vätska dispenser, det pneumatiska manöverdonet (figur 5a) var uppblåsta till ett tryck på 5 PSI att iaktta en deformationen i den region där utbudet av linjer utformades (Figur 5b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig1.jpg"> Figur 1: värme pressning av plåt. A) bild av värmepressen med de TPU-ark som ska lamineras. (B) exempel bild av dåligt laminerade ark med överdrivna rynkor. (C) exempel bild av framgångsrikt laminerade ark med en slät yta. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig1large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig2.jpg"> Figur 2: konstruktion av manöverdon. Bild av en CAD-ritning som används för att bilda ett enda bocknings Don. Botten designen visar konturerna av manöverdonet, mitten designen visar en enda rad läggas som en bockning funktion, och den översta designen visar en komplett ställdon. Den röda rutan belyser de funktioner som utgör den bockande regionen av manöverdonet. Den blå rutan belyser regionen för att ansluta en nål för trycksättning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig2large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig3.jpg"> Figur 3: laserskärare. (A) bild av de laminerade arken i en laserskärare. (B,C) Bild på manöverdonet som ska avlägsnas efter laserskärning. C) bild av manöverdonet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig3large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig4.jpg"> Bild 4: nålens anslutning. Bilder som skildrar stegen för att ansluta en trubbig nål (a) till en ballong ställdon med lim (B) som ett lim. Nålen sätts in i den smala änden av manöverdonet, som öppnas med sax (C) och förseglas med PTFE tejp (D). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig4large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig5.jpg"> Figur 5: böj manöverdon. (A) bild av manöverdonet i otrycksatt tillstånd. B) bild av manöverdonet i trycksatt tillstånd. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig5large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Kompletterande material.   <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/JOVE_PAPER.dwg" target="_blank">Vänligen klicka här för att ladda ner denna 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

Detta protokoll beskriver en metod för snabb tillverkning av mjuka pneumatiska manöverdon och robotar med en tunn formfaktor. Tillverkningsmetoden börjar med laminering av termoplastiska polyuretan (TPU) blad följt av laserskärning/svetsning av ett tvådimensionellt mönster för att bilda ställdon och robotar.

Snabb tillverkning av tunna mjuka pneumatiska manöverdon och robotar

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 ...

Denna snabba metod använder en laserskärare och termoplastisk polyuretan för att tillverka tunna mjuka ställdon med godtycklig geometri och storlekar. Den största fördelen med tekniken är att den möjliggör snabb design och tillverkning av flera tunna mjuka ställdon och robotprototyper parallellt. För att kalibrera en kraftsensor som ska användas i värmepressen, placera först en glasrutschbana på kraftsensorn och lägga en vikt på den.Skriv ner kraften och motståndet hos sensorn och använd ett digitalt bromsok för att mäta sensorns område. Kalibrera sedan sensorn genom att dividera kraftvärdena med det uppmätta området för att få tag på tryckdata och använd ett kalkylblad för att passa en linjär linje till data om tryck kontra motstånd. Nästa, sandwich kraftsensorn mellan två lager av 50 av 50 av 3 millimeter silikon, placera skikten inuti värmepressen, och vrid tryckratten tills ett tryck på cirka 200 kilopascals avläses från sensorn.För att värma trycka på TPU-filmerna, sätta på handskar och skär fyra 30 med 30 millimeters lager av materialet. Placera de fyra arken så att alla fyra kanterna är riktade och placera arken inuti värmepressen. Ställ in värmepressens temperatur på ca 93 grader Celsius och stäng värmepressen helt.Håll filmerna inne i pressen i 10 minuter innan du öppnar pressen och tar bort de laminerade TPU-filmerna. För att bestämma de optimala laserparametrarna, använd ett datorstödd designprogram för att utforma en kvadrat med 20 millimeters sidor och en fyra gånger åtta millimeters rektangel som kommer att fungera som inloppet av den fyrkantiga ballongen. Att laserskära och svetsa det fyrkantiga mönstret ur TPU-lagren, i laserskärarens programvara, ställ in hastigheten och kraften till 10%och pulserna per tum till 500 för varje värde av makt.Klipp änden av inloppet av den fyrkantiga ballongen med en sax och sätt in en nål inuti det fyrkantiga ballonginloppet. Applicera lim runt inloppet och linda inloppet och nålen med PTFE-tejp. Efter att limmet har torkat i fem minuter, blåsa upp ballongen med en exakt vätskedispenser tills den spricker för att identifiera det genomsnittliga sprängtrycket av den fyrkantiga ballongen.För att fabricera ställdonet, designa önskat ställdonsmönster med hjälp av datorstödd programvara och framhäva alla segment av konstruktionen. I aktivitetsfältet under avsnittet egenskaper ändrar du linjevikten för den valda designen till noll millimeter i programvaran och väljer utskrift som ändrar skrivarnamnet till VLS2.30 i menyn. Välj pappersstorleken som användardefinierat liggande i skrivarinställningarna.Och i avsnittet om plottningsskalan avmarkerar du alternativet för passning till papper och skalar bildstorleken till en millimeter för en längdenhet. I den tomtförskjutnings ursprung som är inställd på utskrivbart område kontrollerar du mitten av tomtalternativet och trycker på strömknappen för att slå på luftfiltret. Sätt in effekten till 80 % på 60 % och pulserna per tum till 500.Använd sedan fokus vy verktyget för att flytta laserpekaren till vänster övre hörnet och nedre högra hörnet av mönstret för att se hela mönstret passar inuti den förberedda laminerade TPU filmer. För att fokusera lasermaskinen, flytta linsvagnen till mitten av bordet och placera fokusverktyget på bordet. Flytta bordet uppåt tills fokusverktygets överkant vidrör framsidan av linsvagnen och för bordet långsamt uppåt tills linsvagnen träffar hacket på fokusverktyget och stöter fram verktyget.Utan att ändra positionen för TPU-arket, minska laserskäraren hastigheten till 55%öka effekten till 85%och hålla pulser per tum till 500 och kör lasern igen. Ställ sedan in hastigheten till 50% öka effekten till 90%och hålla pulser per tum vid 500 för en tredje körning av lasern för att säkerställa att det inte finns några läckor i ställdonet. För att binda en rostfri dispenseringsnål med en Luer-låsanslutning, skär du ballongens ände med inloppssax och sätter in en nål inuti ballongens ställdonsinlopp.Applicera lim runt nålen och ställdonet och linda PTFE tejp runt anslutningen. När limmet har torkat, montera en kamera över ställdonet på tillräckligt avstånd så att ställdonet är i full syn på kameran i både dess trycksatta och trycksatt tillstånd och håll ställdonet i en orientering så att dess avböjning vid trycksättning är ortogonal till kameran. Öka trycket på ställdonet med en exakt vätskedispenser tills den avleder i sitt fulla sortiment utan att brista.Öka sedan ställdonstrycket tills det når ca 20% av sitt fulla sortiment och notera trycket. Slutligen, ta en bild av ställdonet och använda ett program för bildbehandling programvara för att mäta X och Y koordinater spetsen av ställdonet i bilden. Efter att ha upprepat trycksättnings- och koordinatmätningen tills ett komplett utbud av ställdonsavböjning har uppnåtts, plotta en XY-graf över ställdonets avböjning kontra inflationstrycket.Rynkor i de laminerade arken kan resultera i emissioner med bindning under laserskärsteget. Därför är säkerställande av en perfekt slät yta kritisk för reproducerbara resultat. Här visas en 2D-design av det pneumatiska ställdonet som ritat med hjälp av ett datorstödd designprogram.Med hjälp av laserskärning kan den laminerade fyrskiktsstapeln av TPU skäras och svetsas för att passa 2D pneumatiska ställdonskonstruktionen som visats. För att koppla ihop manöverdonet till en lufttillförselenhet kan en nål av rostfritt stål sättas in i ställdonet och gränssnittet för ställdonet och nålen av rostfritt stål kan lindas tätt med PTFE-tejp för att förhindra läckage. Slutligen, med hjälp av en digital vätskedispenser, kan pneumatiska ställdonet blåsas upp till ett tryck på fem pounds per kvadrattum för att möjliggöra observation av en avböjning inom den region där utbudet av linjer utformades.Med tanke på dessa genom vilka dess design kan iterera, har denna teknik potential att utöka användningen av tunna mjuka ställdon för många studieområden.

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

Syntes och karakterisering av hög c-axeln ZnO Thin Film från Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System och dess UV Ljuskänsliga Application

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

Tillverkningsprocessen av silikon-baserade dielektriska Elastomer ställdon

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-baserade Försöksförfarande för Brain-Robot Interaktion med Humanoid robotar

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

Fritt formulerade Ljus Ställdon - Fabrication och kontroll av aktivering i mikroskopisk skala

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

Additiv tillverkning av funktionellt graderade keramiska material av Stereolitografi

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

Tillverkning av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda Chambers

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

Konstruktion och tillverkning av en kryssare klass Solar fordon

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

Tillverkning av robust Nanoscale kontakt mellan en Silvernanowire elektrod och CdS buffertskikt i Cu (i, ga) se2 thin-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

Tillverkning av kolbaserade joniska elektromekaniskt aktiva mjuka ställdon

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

Tillverkning, kontroll, och prestanda utvärdering av en Gecko-Inspirerad 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 ...