Ein neuartiges computergesteuertes maskenloses Herstellungsverfahren für pneumatische weiche Aktoren

Weiche Roboter verwenden in ihrer gesamten Struktur nachgiebige und elastische Materialien. Die inhärenten Eigenschaften der Materialien, aus denen sie bestehen, führen zu einem grundlegend anderen Verhalten als bei ihren starren Gegenstücken. Gegenwärtig werden für die Herstellung pneumatischer weicher Aktoren in der Regel schablonenbasierte und additive Fertigungsverfahren eingesetzt. Mit zunehmender Komplexität der Aktoren werden die Grenzen dieser Verfahren deutlich. Bei der Formgebung ist die Geometrie begrenzt, und die Individualisierung der einzelnen Teile ist komplex. Fabrikationstechniken auf der Grundlage des 3D-Drucks ermöglichen die Verwendung verschiedener Materialien, aber es gibt Einschränkungen in Bezug auf Auflösung, Geschwindigkeit, Materialien und Skalierbarkeit. Um diese Aufgabe zu bewältigen, nutzten Tinsley und Harris die computergesteuerte, lokalisierte Plasmabehandlung mit dem piezobrush^® PZ2-i, um das chemische Verhalten von Silikon und PET selektiv zu verändern und so pneumatische, weiche Aktoren herzustellen.

Für diesen Prozess wurde eine Fertigungsplattform generiert, indem der piezobrush^® PZ2-i in einer 3-Achsen-Antriebsplattform platziert wurde. Die Verklebung wurde zwischen dem Silikon Ecoflex 00-50 und einer PET-Folie durchgeführt. Diese Materialkombination ist aufgrund ihrer unterschiedlichen Steifigkeit gut für weiche Aktoren mit Biegeeigenschaften geeignet.

Für das Klebeverfahren wurden sowohl das Ecoflex-Silikon als auch PET selektiv mit Plasma behandelt. Die PET-Folien wurden dann in eine 1%ige Lösung von 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES) getaucht. Anschließend wurden die beiden Materialien ausgerichtet und in Kontakt gebracht, um die Verklebung zu ermöglichen.

Zwei Aktoren wurden mit dieser Methode hergestellt, um ihre Eigenschaften zu testen. Keiner der beiden Aktuatoren versagte beim Aufblasen auf 16 kPa und 63 kPa, vielmehr zeigte die Verformung des Ecoflex einen Zustand nahe dem Versagen an. Durch die spezifische Konstruktion konnten unterschiedliche Füllstände der verschiedenen Kammern erreicht werden (siehe Abb. 2). Die getesteten einfachen Konstruktionen zeigen die Robustheit und die geplante Selektivität der Verklebung, aber dieser Ansatz ermöglicht auch die Herstellung von Aktuatoren mit weitaus höherer Komplexität.

In der hier vorgestellten Arbeit wurde ein neuartiges Herstellungsverfahren für pneumatische weiche Aktoren auf der Grundlage der Plasmabehandlung untersucht. Die Vorteile dieses Ansatzes liegen darin, dass er wie der 3D-Druck digital gesteuert wird, aber viel schneller ist und für eine breitere Palette von Materialien eingesetzt werden kann. Obwohl diese Methode derzeit nicht für Aktoren geeignet ist, die eine Strukturgröße von weniger als 1 mm erfordern, kann sie die Herstellung größerer Aktoren einfacher machen als herkömmliche Methoden.

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