DE102012016375A1 - Method for manufacturing dielectric elastomer actuators, involves receiving temporarily electrically conductive polymer in gravure groove, after printing complete curing or polymerization is carried out - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dielektrischer Elastomeraktoren (DEA).The invention relates to a method for producing dielectric elastomer actuators (DEA).
Elastomeraktoren werden auch als dielektrische Polymeraktoren bezeichnet. Sie können vielfältig eingesetzt werden und beispielsweise piezoelektrische Aktoren ersetzen oder zusätzliche Anwendungen erschließen. Dabei ist ihre erhöhte Elastizität ein besonderer Vorteil.Elastomer actuators are also referred to as polymer dielectric actuators. They can be used in a variety of ways and, for example, replace piezoelectric actuators or open up additional applications. Their increased elasticity is a particular advantage.
Üblicherweise werden solche Elastomeraktoren aus einer dielektrischen elastischen polymeren Schicht, an der an zwei gegenüberliegend angeordneten Oberflächen jeweils eine elektrisch leitende Elektrode ausgebildet ist, gebildet. Die Elektroden sind ebenfalls elastisch verformbar. Die Elektroden können aus einer Polymermatrix gebildet sein, in der elektrisch leitende Partikel in ausreichender Anzahl enthalten sind, so dass die Perkolationsschwelle überschritten ist. Als solche Partikel sind besonders Kohlenstoffnanoröhren geeignet, da bereits ein kleiner Anteil ausreichend ist, um die Perkolationsschwelle zu überschreiten. Bei optisch transparenten Polymeren kann so eine Elektrode erhalten werden, die ebenfalls noch optisch transparent ist. Es wurden aber auch elektrisch leitende metallische Partikel oder Graphit dafür eingesetzt.Usually, such elastomer actuators are formed from a dielectric elastic polymer layer on which an electrically conductive electrode is formed on two opposing surfaces. The electrodes are also elastically deformable. The electrodes can be formed from a polymer matrix in which electrically conductive particles are contained in sufficient numbers, so that the percolation threshold is exceeded. As such particles are particularly suitable carbon nanotubes, since even a small amount is sufficient to exceed the percolation threshold. In the case of optically transparent polymers, it is thus possible to obtain an electrode which is also optically transparent. However, electrically conductive metallic particles or graphite were also used for this purpose.
Beispiele für solche Elastomeraktoren sind aus
Es geht aus diesem Stand der Technik auch nicht hervor, wie aus einem Schichtsystem, das aus mehreren übereinander angeordneten Schichten, bei denen jeweils eine dielektrische Schicht zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten, die als Elektroden fungieren, angeordnet sind, ein solcher Elastomeraktor herstellbar ist.It is also not clear from this prior art how such a Elastomeraktor can be produced from a layer system consisting of several superimposed layers, in each of which a dielectric layer between two electrically conductive layers which act as electrodes, are arranged.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, wie dielektrische Elastomeraktoren in großer Stückzahl und in flexibler Gestaltung kostengünstig hergestellt werden können.It is therefore an object of the invention to provide ways in which dielectric elastomer actuators can be produced inexpensively in large quantities and in a flexible design.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden auf eine elastisch verformbare, dielektrische, aus einem Polymer gebildete Folie, die die dielektrische Schicht von Elastomeraktoren bildet, Elektroden aus einem elektrisch leitenden elastischen Polymer aufgedruckt. Das Polymer für Elektroden ist zumindest noch nicht vollständig ausgehärtet oder nicht vollständig polymerisiert oder es liegt in zumindest teilweise gelöster Form vor. In dem Polymer mit dem Elektroden ausgebildet werden, sind elektrisch leitende Partikel, bevorzugt Kohlenstoffnanoröhren in dispergierter Form enthalten. Beim Aufdrucken wird zumindest die äußere geometrische Randkontur der Elektroden ausgebildet. Es kann zusätzlich aber auch eine Strukturierung von Elektroden erreicht werden, bei der Konturen innerhalb des äußeren Randes der Elektroden mit ausgebildet werden können.In the method according to the invention, electrodes made of an electrically conductive elastic polymer are printed on an elastically deformable dielectric film formed from a polymer which forms the dielectric layer of elastomer actuators. The polymer for electrodes is at least not completely cured or not completely polymerized or it is present in at least partially dissolved form. In the polymer with which electrodes are formed, electrically conductive particles, preferably carbon nanotubes, are contained in dispersed form. When printing, at least the outer geometric edge contour of the electrodes is formed. In addition, structuring of electrodes can also be achieved, in which contours can be formed within the outer edge of the electrodes.
Das Aufdrucken, des eine für das Drucken geeignete Viskosität aufweisenden elektrisch leitenden Polymers, kann in einer erfindungsgemäßen Alternative mittels Masken erfolgen, in denen Durchbrechungen, die der geometrischen äußeren Randkontur entsprechen, ausgebildet sind, in dem das elektrisch leitende Polymer in die Durchbrechungen gedruckt wird. Die Masken können beim Maskentransferdruck während des Druckens unmittelbar auf der zu bedruckenden Oberfläche der Folie aus dielektrischem Polymer aufliegend angeordnet werden.In an alternative according to the invention, the printing of the electrically conductive polymer having a viscosity suitable for printing can be effected by means of masks, in which apertures corresponding to the geometrical outer edge contour are formed, in which the electrically conductive polymer is printed in the apertures. The masks can be placed directly on the print surface of the dielectric polymer film during mask transfer during printing.
Bei einer zweiten Alternative der Erfindung, die allein oder zusätzlich angewandt werden kann, erfolgt das Aufdrucken, des eine für das Drucken geeignete Viskosität aufweisenden elektrisch leitenden Polymers, mit mindestens einer Druckwalze, an deren äußerer Oberfläche die geometrische Randkontur von Elektroden berücksichtigende Drucknäpfchen zur temporären Aufnahme des elektrisch leitenden Polymers ausgebildet sind.In a second alternative of the invention, which can be used alone or in addition, the imprinting of the one suitable for printing viscosity having electrically conductive polymer, with at least one pressure roller on the outer surface of the geometric edge contour of electrodes taking into account pressure cups for temporary recording of the electrically conductive polymer are formed.
Nach dem Aufdrucken wird eine vollständige Aushärtung oder Polymerisation durchgeführt. Die so erhaltenen Elastomeraktoren können beispielsweise durch ein Schneidverfahren vereinzelt werden.After printing, complete cure or polymerization is performed. The elastomer actuators thus obtained can be singulated by, for example, a cutting process.
Bei einem gleichzeitigen Aufdrucken von zwei Seiten kann beispielsweise das Aufdrucken von der Oberseite mittels Druckwalze und von der Unterseite mittels Maskentransferdruck erfolgen. Dabei kann an der Unterseite mit der für das Maskendrucken ausgebildeten Vorrichtung, der Gegenhalter für das Aufdrucken von Elektroden an der Oberseite der Folie mit der Druckwalze sein. Das Aufdrucken kann aber auch an beiden Oberflächen mit gegenüberliegend angeordneten Druckwalzen erfolgen.For example, in the case of simultaneous printing on two sides, printing can be effected from the upper side by means of a pressure roller and from the underside by mask transfer printing. In this case, on the underside with the device designed for the mask printing, the counter-holder for the printing of electrodes on the upper side of the film with the pressure roller be. However, the printing can also be done on both surfaces with oppositely arranged pressure rollers.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, jeweils eine der beiden erfindungsgemäßen o. g. Alternativen sowohl für das Aufdrucken an der Oberseite, wie auch an der Unterseite einzusetzen. But it is also possible, in each case one of the two above-mentioned alternatives for both the printing on the top, as well as to use the bottom.
Beim Drucken mit Masken können diese in Form eines Bandes, bevorzugt eines Endlosbandes, in dem die äußere Randkontur von Elektroden berücksichtigende Durchbrechungen ausgebildet sind, eingesetzt werden.When printing with masks, they can be used in the form of a band, preferably an endless band, in which the outer edge contour of electrodes taking into account openings are formed.
Masken können nach dem Aufdrucken wieder abgezogen und ggf. wieder verwendet werden. Bei als Endlosband ausgebildeten Masken kann dieses im Kreislauf rückgeführt werden. Die die dielektrische Schicht von Elastomeraktoren bildende Folie kann auf einer Rolle aufgewickelt sein, bevor sie bedruckt wird.Masks can be removed after printing and possibly reused. When trained as an endless belt masks this can be recycled in the circulation. The film forming the dielectric layer of elastomer actuators may be wound on a roll before being printed.
Für eine flexible Fertigung ist es besonders günstig, die Durchbrechungen in die Masken unmittelbar vor dem Aufdrucken auszuschneiden. Dabei können die unterschiedlichsten Randgeometrien und Dimensionierungen von herzustellenden Elastomeraktoren mit Elektroden berücksichtigt und es kann sehr schnell auf sich verändernde Anforderungen reagiert werden. Das Schneiden kann bevorzugt mittels eines Laserstrahls durchgeführt werden, der elektronisch, z. B. mittels CAD-Programmen gesteuert, betrieben werden kann.For a flexible production, it is particularly advantageous to cut out the openings in the masks immediately before printing. In this case, the most varied edge geometries and dimensions of elastomeric actuators to be produced with electrodes can be taken into account and it is possible to react very quickly to changing requirements. The cutting can preferably be carried out by means of a laser beam which is electronically, z. B. controlled by CAD programs can be operated.
Bei der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, dass elektrische Leiterbahnen, die elektrisch leitende Verbindungen zu den Elektroden bilden, ebenfalls aufgedruckt werden. Hierfür kann ebenfalls ein elektrisch leitendes Polymer eingesetzt werden, das sich vom elektrisch leitenden Polymer, mit dem die Elektroden hergestellt werden, unterscheiden kann. Es kann beispielsweise eine höhere elektrische Leitfähigkeit besitzen. Dabei können die eingesetzten Masken so ausgebildet sein, dass sie auch die Struktur der elektrischen Leiterbahnen berücksichtigen und entsprechend ausgebildete Durchbrechungen in den Masken vorhanden sind. Elektrische Leiterbahnen können aber auch mit dem gleichen Polymer hergestellt werden, wodurch eine bessere Anpassung der mechanischen und thermischen Eigenschaften erreicht werden kann.In the invention, there is also the possibility that electrical conductor tracks, which form electrically conductive connections to the electrodes, are also printed. For this purpose, it is likewise possible to use an electrically conductive polymer which can differ from the electrically conductive polymer with which the electrodes are produced. It may, for example, have a higher electrical conductivity. In this case, the masks used can be designed so that they also take into account the structure of the electrical conductor tracks and correspondingly formed openings are present in the masks. However, electrical interconnects can also be produced with the same polymer, whereby a better adaptation of the mechanical and thermal properties can be achieved.
Für die als dielektrische Schicht fungierende elastische Folie und auch die Elektroden können als Polymer Polyurethane, Polyacrylate oder Silikone eingesetzt werden. Für die dielektrische Schicht und die Elektroden kann dasselbe Polymer eingesetzt werden.Polyurethane, polyacrylates or silicones can be used as polymer for the elastic film acting as a dielectric layer and also the electrodes. The same polymer can be used for the dielectric layer and the electrodes.
Dabei besteht die Möglichkeit, zwei Elektroden gleichzeitig an genau überliegenden Oberflächen der dielektrischen Folie aufzudrucken. Es ist aber auch ein zeitlicher und lokaler Versatz beim Drucken möglich, indem die jeweiligen Druckvorrichtungen in Vorschubachsrichtung der dielektrischen Folie versetzt zueinander angeordnet sind.It is possible to print two electrodes simultaneously on exactly overlying surfaces of the dielectric film. But it is also a temporal and local offset during printing possible by the respective printing devices are arranged offset in feed axis of the dielectric film to each other.
Bei der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, mit Elektroden bedruckte dielektrische Folien übereinander zu stapeln und erst dann die vollständige Polymerisation oder Aushärtung durchzuführen, so dass mehrere übereinander gestapelte Schichtsysteme, die mit Elektroden zwischen denen eine dielektrische Schicht angeordnet ist, als ein Elastomeraktor hergestellt werden können. Dabei sind keine zusätzlichen Zwischenschichten erforderlich.In the invention, it is also possible to stack electrode-printed dielectric films on top of each other and only then perform the complete polymerization or curing so that a plurality of stacked layer systems, which are arranged with electrodes between which a dielectric layer, can be produced as an elastomer actuator , There are no additional intermediate layers required.
Nach oder bei dem Aufdrucken von Elektroden, kann deren Schichtdicke mit einem Rakel beeinflusst werden.After or during the printing of electrodes, their layer thickness can be influenced with a squeegee.
Werden Elektroden mit Druckwalzen aufgedruckt, kann dies mit mehr als einer Druckwalze durchgeführt werden. Die jeweiligen Elektroden werden dabei mit beispielsweise zwei Druckwalzen ausgebildet, die identisch strukturierte Oberflächen aufweisen und mit denen eine Elektrode so ausgebildet wird, dass ein zweifaches Drucken erfolgt, wodurch eine gleichmäßigere Schichtausbildung mit konstanter Schichtdicke erreicht werden kann. Dadurch kann eine nicht ausreichende lokale Auflösung der Drucknäpfchenausbildung kompensiert werden.If electrodes are printed with pressure rollers, this can be done with more than one pressure roller. The respective electrodes are formed with, for example, two pressure rollers which have identically structured surfaces and with which an electrode is formed so that a double printing takes place, whereby a more uniform layer formation with a constant layer thickness can be achieved. As a result, an insufficient local resolution of the pressure cup formation can be compensated.
Dies kann auch dadurch berücksichtigt werden, indem die elastische Folie, die die dielektrische Schicht bildet, während des Druckens aufgespannt wird. Sie kann dabei so auseinandergezogen werden, dass die Fläche im Druckbereich vergrößert ist. Im Anschluss an das Drucken kann die entsprechende Zugkraftwirkung aufgehoben werden, so dass sich die Folie wieder zusammen zieht und die Fläche wieder verkleinert wird. Erst dann erfolgt das Aushärten oder vollständige Polymerisieren.This can also be taken into account by tensioning the elastic film forming the dielectric layer during printing. It can be pulled apart so that the area in the printing area is increased. After printing, the corresponding tensile force effect can be canceled, so that the film contracts again and the area is reduced again. Only then does the curing or complete polymerization.
Das Aushärten oder Polymerisieren kann in einem Durchlaufofen und/oder durch eine Bestrahlung erfolgen. Bei einer Bestrahlung kann entsprechend geeignete Strahlung eingesetzt werden, je nach dem ob eine Entfernung von Lösungsmittel oder eine Vernetzung durchgeführt werden soll. Bei einer Vernetzung kann beispielsweise Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des UV-Lichts eingesetzt werden. Für die Entfernung von Lösungsmittel ist Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum der NIR- oder IR-Strahlung geeignet.The curing or polymerization can be carried out in a continuous furnace and / or by irradiation. Upon irradiation, suitably suitable radiation can be used, depending on whether removal of solvent or crosslinking is to be carried out. For example, in the case of crosslinking, radiation from the wavelength spectrum of the UV light can be used. For removal of solvent, radiation from the wavelength spectrum of NIR or IR radiation is suitable.
Die als dielektrische Schicht fungierende elastische Folie kann auf ein antiadhäsives Substrat mit geeigneter Viskosität in der gewünschten Schichtdicke aufgebracht und nach dem Aushärten, Vernetzen oder Polymerisieren wieder vom Substrat abgelöst werden. Die erhaltene Folie kann aufgerollt oder auch dem Bedrucken direkt zugeführt werden.The elastic film acting as a dielectric layer can be applied to an anti-adhesive substrate having a suitable viscosity in the desired layer thickness and be removed again from the substrate after hardening, crosslinking or polymerizing. The resulting film can be rolled up or fed directly to the printing.
Die Führung der Folie und ein ggf. durchzuführendes Aufspannen kann/können im Randbereich erfolgen, der nicht bedruckt wird. The guidance of the film and a possibly to be performed clamping can / can be done in the edge region, which is not printed.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Elastomeraktoren nahezu endkonturnah in jeweils gewünschter geometrischer Gestaltung hergestellt werden. Es kann auf eine aufwändige nachträgliche Bearbeitung häufig verzichtet werden.With the method according to the invention, elastomer actuators can be produced almost close to the final contour in each desired geometric configuration. It can often be dispensed with a time-consuming subsequent processing.
Bei den mit polymeren Werkstoffen gebildeten Elektroden, bei denen elektrisch leitende Partikel in das Polymer eingebettet sind, hat es sich herausgestellt, dass die Verteilung der Partikel innerhalb von als Schicht ausgebildeten Elektroden nicht homogen ist. Besonders in den äußeren Randschichtbereichen ist der Anteil an elektrisch leitenden Partikeln (Metall, Graphit und auch Kohlenstoffnanoröhren – CNT's) reduziert, was zur Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit in diesen Bereichen führt. Für den elektrischen Anschluss von außen an die Elektroden sind daher gesonderte Kontaktelemente erforderlich, wie dies beispielsweise gesondert herzustellende Kupferkontakte sind. Dabei muss der erhöhte elektrische Widerstand der äußeren Randschicht der elastisch verformbaren mit Polymer gebildeten Elektroden beachtet werden, um höhere elektrische Übergangswiderstände zu vermeiden.In the electrodes formed with polymeric materials, in which electrically conductive particles are embedded in the polymer, it has been found that the distribution of the particles within electrodes formed as a layer is not homogeneous. Particularly in the outer boundary layer areas, the proportion of electrically conductive particles (metal, graphite and also carbon nanotubes - CNTs) is reduced, which leads to a reduction in the electrical conductivity in these areas. For the electrical connection from the outside to the electrodes therefore separate contact elements are required, as are, for example, separately produced copper contacts. In this case, the increased electrical resistance of the outer edge layer of the elastically deformable polymer-formed electrodes must be observed in order to avoid higher electrical contact resistance.
Diesem Problem kann entgegengetreten werden, in dem in Bereichen der Elektroden, die für eine elektrische Kontaktierung vorgesehen sind ein Werkstoffabtrag in einer äußeren Randschicht erfolgt, bei dem überwiegend Polymer abgetragen wird, in das keine oder nur ein geringer Anteil an elektrisch leitenden Partikeln eingebettet sind. Dabei kann dort ein Werkstoffabtrag mit einer Dicke von wenigen Nanometern ausreichen, wobei die maximale Dicke des abgetragenen Werkstoffs bei 20 nm, bevorzugt 10 nm oder maximal 5% der Gesamtschichtdicke einer Elektrode liegen sollte.This problem can be counteracted in that in areas of the electrodes, which are intended for electrical contacting, a material removal takes place in an outer edge layer, in which predominantly polymer is removed, in which no or only a small proportion of electrically conductive particles are embedded. Here, a material removal with a thickness of a few nanometers may be sufficient, wherein the maximum thickness of the removed material should be 20 nm, preferably 10 nm or at most 5% of the total layer thickness of an electrode.
Dieser Werkstoffabtrag kann mit Laserstrahlung erreicht werden, deren Wellenlänge gut vom jeweiligen Polymer absorbiert wird. So kann beispielsweise bei einem Silikon als eingesetztem Polymer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1062 nm eingesetzt werden. Die jeweilige abgetragene Werkstoffmenge bzw. Schichtdicke kann durch geeignete Steuerung oder Regelung der Laserstrahlung berücksichtigt werden. Dabei sind besonders die Energiedichte im Brennfleck und die Vorschubgeschwindigkeit sowie eine Pulsung geeignete Parameter.This material removal can be achieved with laser radiation whose wavelength is well absorbed by the respective polymer. Thus, for example, laser radiation having a wavelength of 1062 nm can be used as the polymer used for a silicone. The respective ablated material quantity or layer thickness can be taken into account by suitable control or regulation of the laser radiation. In particular, the energy density in the focal spot and the feed rate and a pulsation are suitable parameters.
Durch diesen Werkstoffabtrag kann die elektrische Leitfähigkeit in für eine elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen deutlich erhöht und der spezifische elektrische Widerstand gegenüber unbearbeiteten Oberflächenbereichen, an denen kein solcher Werkstoffabtrag durchgeführt wurde, entsprechend reduziert werden. Es besteht die Möglichkeit den spezifischen elektrischen Widerstand um bis zu 90% zu reduzieren.As a result of this removal of material, the electrical conductivity in areas intended for electrical contacting can be markedly increased and the specific electrical resistance to unprocessed surface areas on which no such material removal has been carried out can be correspondingly reduced. It is possible to reduce the specific electrical resistance by up to 90%.
Es kann so eine direkte und unmittelbare elektrische Kontaktierung erreicht und auf zusätzliche elektrische Kontaktelemente verzichtet werden.It can be achieved as a direct and immediate electrical contact and dispensed with additional electrical contact elements.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Es wurde bei einem Beispiel ein additionsvernetztes Silikon sowohl für die Ausbildung der dielektrischen Schicht, wie auch für die Elektroden eingesetzt. Für die Ausbildung der elektrisch leitenden Elektroden wurden im Silikon 3 Masse-% einwandige Kohlenstoffnanoröhren dispergiert, wodurch die Perkolationsschwelle überschritten werden konnte. Der spezifische elektrische Widerstand lag dabei, bei 10–1 Ωcm.In one example, an addition-crosslinked silicone was used both for the formation of the dielectric layer and for the electrodes. For the formation of the electrically conductive electrodes 3 mass% of single-walled carbon nanotubes were dispersed in the silicone, whereby the percolation threshold could be exceeded. The specific electrical resistance was at 10 -1 Ωcm.
Das zur Herstellung der Folie eingesetzte Silikon war vollständig vernetzt und wurde auf eine Rolle aufgerollt.The silicone used to make the film was fully crosslinked and rolled up on a roll.
Die Folie für die dielektrische Schicht hatte eine Schichtdicke von 50 μm.The film for the dielectric layer had a layer thickness of 50 μm.
Für das Bedrucken wurde die Folie von der Rolle abgewickelt und translatorisch in Richtung einer Druckvorrichtung bewegt. Im Bereich der Druckvorrichtung wurde eine bandförmige Maske auf der Oberfläche der dielektrischen Folie aufliegend mit der Folie mit bewegt. In der Maske waren in Vorschubachsrichtung nacheinander Durchbrechungen ausgebildet, die der äußeren Randkontur von auszubildenden Elektroden entsprachen.For printing, the film was unwound from the roll and moved translationally in the direction of a printing device. In the area of the printing device, a band-shaped mask was moved on the surface of the dielectric film lying on top of the film. In the mask successive openings were formed in Vorschubachsrichtung, which corresponded to the outer edge contour of trainees electrodes.
Aus einem Behälter mit eine Ausfluss wurde das die dispergierten Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Silikon auf der Oberfläche der Maske verteilt aufgebracht und die Schichtdicke mit einem in Vorschubachsrichtung nachfolgend angeordneten Rakel eingestellt. Gleichzeitig wurde gesichert, dass die Durchbrechungen in der Maske vollständig mit dem die Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Silikon befüllt worden sind. Das Silikon hatte dabei eine Viskosität von 250000 Pas bei 6 Masse-% an enthaltenen Kohlenstoffnanoröhren.From a container with an outflow, the silicon containing the dispersed carbon nanotubes was distributed over the surface of the mask and the layer thickness was adjusted with a blade arranged downstream of the feed axis. At the same time, it was ensured that the apertures in the mask were completely filled with the silicon containing the carbon nanotubes. The silicone had a viscosity of 250000 Pas at 6% by mass of contained carbon nanotubes.
Im Anschluss daran wurde die bandförmige Maske von der Oberfläche abgezogen und konnte nach einer ggf. erforderlichen Reinigung dem Druckvorgang in analoger Form wieder zugeführt werden.Subsequently, the band-shaped mask was removed from the surface and could be fed back to the printing process in an analogous form after any necessary cleaning.
Die mit Elektroden bedruckte Folie wurde weiter bewegt und gelangte in einen Ofen, in dem bei einer Temperatur von 80°C und einer Verweilzeit von 4 Stunden eine vollständige Vernetzung der aufgedruckten Elektroden durchgeführt wurde. Die so hergestellten Elektroden hatten eine Schichtdicke von ebenfalls 50 μm. Bei höheren Temperaturen kann die erforderliche Zeit deutlich reduziert werden.The electrode-printed film was further moved and passed into an oven in which a complete cross-linking of the printed electrodes was carried out at a temperature of 80 ° C and a residence time of 4 hours. The way produced electrodes had a layer thickness of 50 microns also. At higher temperatures, the required time can be significantly reduced.
Die an der Folie ausgebildeten Elastomeraktoren können durch ein Schneidverfahren anschließend vereinzelt werden.The formed on the film elastomer actuators can be separated by a cutting process then.
Bei der Herstellung der dielektrischen Schicht wurde diese auf einem Floatglasträger abgeschieden. Dabei konnte eine gute Ablösung mit guter Oberflächengüte erreicht werden. Die Träger wurden auf einem Vakuumtisch des Erichsen COATMASTER 509 MC-III aufgespannt und mit einem MULTICATOR 411 wurde das viskose Silikon als Schicht appliziert. Dabei wurde das Verhältnis zwischen applizierter Nassfilmdicke und zu erhaltender Trockenfilmdicke berücksichtigt. Der benötigte Spalt zur Erzeugung der Nassfilmdicke wurde am MULTCATOR 411 eingestellt und das Silikon Sylgard 184 in das Reservoir des Rakels gegeben. Der Rakel wurde mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 2,5 mm/s bewegt, um die Scherung des Silikons im Spalt zu erhöhen und somit die Gefahr von Fehlstellen, wie Luftblasen zu minimieren. Je kleiner der Spalt desto geringer ist die Anzahl der Fehlstellen, da die enthaltenen Luftblasen durch die Bewegung und Scherung des Silikons zerstört werden. Daher waren sehr homogene und fehlstellenarme dielektrische Schichten realisierbar. Die weitere Reduzierung der Schichtdicke sollte zur weiteren Minimierung der Defektstellen führen. Die dielektrische Schicht wurde anschließend im Ofen ausgehärtet (80°C für 4 Stunden) und vom Träger abgelöst und beschnitten. Anschließend wurde die dielektrische Schicht blasenfrei erneut auf einen Träger aufgebracht und der Elektrodenbeschichtung zugeführt.In the manufacture of the dielectric layer, this was deposited on a float glass carrier. A good detachment with good surface quality was achieved. The carriers were clamped on a vacuum table of the Erichsen COATMASTER 509 MC-III and with a MULTICATOR 411, the viscous silicone was applied as a layer. The ratio between the applied wet film thickness and the dry film thickness to be obtained was taken into account. The required gap for producing the wet film thickness was set on the MULTCATOR 411 and the silicone Sylgard 184 was added to the reservoir of the doctor blade. The squeegee was moved at a traverse speed of 2.5 mm / sec to increase the shear of the silicone in the nip and thus minimize the risk of defects such as air bubbles. The smaller the gap, the lower the number of defects, because the air bubbles contained are destroyed by the movement and shearing of the silicone. Therefore, very homogeneous and lacking dielectric layers were realized. The further reduction of the layer thickness should lead to further minimization of the defect sites. The dielectric layer was then baked in the oven (80 ° C for 4 hours) and detached from the carrier and trimmed. Subsequently, the dielectric layer was again applied bubble-free on a support and fed to the electrode coating.
Dabei kam ein Erichsen MULTICATOR 411 mit einer Breite von 150 mm und einem einstellbaren Spalt von 0–1000 μm zum Einsatz.An Erichsen MULTICATOR 411 with a width of 150 mm and an adjustable gap of 0-1000 μm was used.
Die Elektroden wurden ebenfalls mit dem Erichsen COATMASTER 509 MC-III aufgebracht und der MULTICATOR 411 mit der Breite von 150 mm verwendet. Die Verfahrgeschwindigkeit bei der Ausbildung der Elektroden war ebenfalls 2,5 mm/s, um die Elektroden sehr homogen und fehlstellenarm zu applizieren.The electrodes were also applied with the Erichsen COATMASTER 509 MC-III and the MULTICATOR 411 with the width of 150 mm was used. The traversing speed during the formation of the electrodes was also 2.5 mm / s, in order to apply the electrodes very homogeneously and without defects.
Bei der Herstellung elektrischer Leiterbahnen wurde am Ende immer ein Kupferkontakt integriert, um die Übergangswiderstände bei der elektrischen Kontaktierung zu minimieren. Denn diese stellen einen wichtigen Versagenspunkt dar, da das Kupfer und die elastische Elektrode sehr unterschiedliche Deformationen erlauben. Das Kupfer induziert eine Kerbwirkung, da sich dieses nicht deformiert, und dies kann bei großen Dehnungen zum Versagen führen. Daher wurde diese Möglichkeit durch die Ablation der obersten isolatorischen bzw. CNT verarmten Schicht der Elektroden erforscht und erfolgreich realisiert. Da die CNT's immer vom Polymer ummantelt sind bzw. die Füllstoffe während der Aushärtung geringfügig sedimentieren, bildet sich diese isolierende Schicht, die die direkte elektrische Kontaktierung erschwert. Die hohen elektrischen Übergangswiederstände sind nicht erwünscht. Daher wurde untersucht, die Endstellen der Leiterbahnen, in denen das Kupfer eingebracht wurde, mit Laserstrahlung zu behandeln. Die elektrischen Leiterbahnen enden ohne integriertes Kupfer und werden nach der Aushärtung mit einem Laserprozess bearbeitet, um die isolierende Schicht zu entfernen und die direkte elektrische Kontaktierung zu ermöglichen. Dabei wurden vergleichbare bzw. geringfügig bessere elektrische Widerstände im Vergleich zu den intergrierten Kontakten gemessen. In Abhängigkeit des eingesetzten Lasers und der Laserparameter konnte dabei Einfluss genommen werden. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Faserlaser der Firma CleanLasersystem GmbH erzielt, der elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 1062 nm bei einer Leistung von max. 50 W emittierte.In the production of electrical conductors, a copper contact was always integrated at the end in order to minimize the contact resistance during electrical contacting. Because these are an important point of failure, since the copper and the elastic electrode allow very different deformations. The copper induces a notch effect as it does not deform and this can lead to failure at high strains. Therefore, this possibility was explored by the ablation of the topmost insulator or CNT depleted layer of the electrodes and successfully realized. Since the CNTs are always encased in the polymer or the fillers settle slightly during curing, this insulating layer forms, which makes direct electrical contacting more difficult. The high electrical transition resistances are not desired. Therefore, it was investigated to treat the end positions of the tracks, in which the copper was introduced, with laser radiation. The electrical traces terminate without integrated copper and are cured after curing with a laser process to remove the insulating layer and allow for direct electrical contact. Comparable or slightly better electrical resistances were measured compared to the integrated contacts. Depending on the laser used and the laser parameters, it was possible to exert influence. The best results were achieved with a fiber laser from the company Clean Lasersystem GmbH, the electromagnetic radiation with a wavelength of 1062 nm at a power of max. 50 W emitted.
Er wurde mit einer Pulsfrequenz von 90 kHz, einer Vorschubgeschwindigkeit von 2500 mm/s, bei 10% seiner maximalen Laserleistung, mit einer Pulsdauer 120 ns betrieben. Der Durchmesser des Brennflecks lag bei 50 μm und die Energiedichte bei 2,8 J/cm2.It was operated with a pulse frequency of 90 kHz, a feed rate of 2500 mm / s, at 10% of its maximum laser power, with a pulse duration of 120 ns. The diameter of the focal spot was 50 μm and the energy density was 2.8 J / cm 2 .
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