DE102012016375B4

DE102012016375B4 - Verfahren zur Herstellung dielektrischer Elastomeraktoren

Info

Publication number: DE102012016375B4
Application number: DE102012016375.4A
Authority: DE
Inventors: Irene Jansen; Tilo Köckritz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: DE102012016375A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung dielektrischer Elastomeraktoren, bei demauf eine elastisch verformbare, dielektrische, aus einem Polymer gebildete Folie, die die dielektrische Schicht von Elastomeraktoren bildet, Elektroden aus einem elektrisch leitenden elastischen Polymer, das in zumindest noch nicht vollständig ausgehärteter oder nicht vollständig polymerisierter Form oder in gelöster Form vorliegt und in dem elektrisch leitende Kohlenstoffnanoröhren in dispergierter Form vorliegen, aufgedruckt werden und beim Aufdrucken zumindest die äußere geometrische Randkontur der Elektroden ausgebildet wird, wobeidas Aufdrucken des eine für das Drucken geeignete Viskosität aufweisenden elektrisch leitenden Polymers mittels Masken erfolgt, in denen Durchbrechungen, die der geometrischen äußeren Randkontur entsprechen, ausgebildet sind, und durchgeführt wird, indem das elektrisch leitende Polymer in die Durchbrechungen gedruckt wird und/oderdas Aufdrucken des eine für das Drucken geeignete Viskosität aufweisenden elektrisch leitenden Polymers mit mindestens einer Druckwalze durchgeführt wird, an deren äußerer Oberfläche die geometrische Randkontur von Elektroden berücksichtigende Drucknäpfchen zur temporären Aufnahme des elektrisch leitenden Polymers ausgebildet sind; undnach dem Aufdrucken eine vollständige Aushärtung oder Polymerisation durchgeführt wird; wobeiwährend des Druckens mit Druckwalzen die die dielektrische Schicht bildende Folie aufgespannt wird, so dass die zu bedruckende Fläche vergrößert ist, und im Anschluss an das Drucken die Spannkräfte gelöst werden und die Fläche der Folie wieder auf die normale Größe gebracht wird, bevor das vollständige Polymerisieren oder Aushärten durchgeführt wird und/oderin Bereichen der Elektroden, die für eine elektrische Kontaktierung vorgesehen sind, ein Werkstoffabtrag in einer äußeren Randschicht erfolgt, der mittels Laserstrahlung erreicht wird, wobei überwiegend Polymer abgetragen wird, in das keine oder nur ein geringer Anteil an elektrisch leitenden Kohlenstoffnanoröhren eingebettet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dielektrischer Elastomeraktoren (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.
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.
Beispiele für solche Elastomeraktoren sind aus DE 10 2008 039 757 A1 bekannt. Darin wird auch erwähnt, dass es besonders günstig ist, für dielektrische Schichten und die Elektroden das gleiche Polymer einzusetzen. Dadurch kann eine gleiche elastische Verformung der Elektroden und der dielektrischen Schicht erreicht werden, wenn eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt worden ist. Darin ist die mögliche Herstellung aber sehr aufwändig beschrieben, so dass eine kostengünstige Herstellung mit großen Stückzahlen und erhöhter Flexibilität, was die Art der hergestellten Elastomeraktoren betrifft, stark eingeschränkt ist.
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.
Die US 6 404 107 B1 betrifft eine andere Art von Aktoren, nämlich solche, die elektroaktive Werkstoffe, die eine piezoelektrische oder elektrostriktive Platte nutzen, die dann von Elektroden eingefasst werden.
In US 2011 / 0 074 249 A1 sind Aktoren, mit einem piezokeramischen Film und zwei an den Oberflächen angrenzenden Elektroden 21 und 22 beschrieben. Eine dielektrische Schicht, die zwischen den Elektroden angeordnet ist inaktiv und nicht dauerhaft elastisch verformbar.
DE 10 2008 002 492 A1 betrifft die Herstellung eines Elastomeraktors. Es darin die Möglichkeit zum Einsatz eines Sprüh- oder Druckprozesse erwähnt.
DE 10 2004 011029 A1 befasst sich mit Elastomeraktoren. Dabei soll über Schlitzdüsen Graphitpulver auf Polymerbahnen aufgebracht werden, um Elektroden auszubilden. Anschließend soll eine Klebstoffschicht aufgebracht und dann über Druckwalzen eine bleibende Verbindung zwischen den Halbzeugen erreicht werden.
Aus DE 10 2011 002 417 A1 sind Möglichkeiten für die Herstellung von elektronischen Schaltungen unter Einsatz von Druckwalzen bekannt. Es wird darin nicht auf die für das Drucken vorgesehenen Werkstoffe oder Materialien eingegangen.
DE 10 2006 055 862 B4 betrifft den Einsatz von Masken bei der Ausbildung elektrisch leitfähiger Kontaktstrukturen. Dabei soll ein metallischer Dampf eingesetzt werden.
Eine Druck erfassende oder eine Kraft ausübende Vorrichtung ist aus US 2012/0055257 A1 bekannt.
WO 2007/ 029 275 A1 betrifft einen Aktuator, Sensor oder einen Generator auf elektropolymerer Basis in gefalteter Ausführung.
Von Wenig, B. u.a. sind aus „Printing conducting polymers"; Analyst; Vol. 135; 2010; Nr. 11, S. 2779-2789 - DOI: 10.1039/cOan003202f Möglichkeiten für das Drucken elektrsch leitender Polymere bekannt.
Ein Aktorelement sowie seine Verwendung sind in DE 10 2008 039 757 A1 beschrieben.
Die Offenbarung von DE 10 2010 000 963 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schablone.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, wie dielektrische Elastomeraktoren in großer Stückzahl und in flexibler Gestaltung kostengünstig hergestellt werden können.
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.
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.
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.
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.
Nach dem Aufdrucken wird eine vollständige Aushärtung oder Polymerisation durchgeführt. Die so erhaltenen Elastomeraktoren können beispielsweise durch ein Schneidverfahren vereinzelt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Nach oder bei dem Aufdrucken von Elektroden, kann deren Schichtdicke mit einem Rakel beeinflusst werden.
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.
Dies kann in einer erfindungsgemäßen Alternative 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.
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.
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.
Die Führung der Folie und ein ggf. durchzuführendes Aufspannen kann/können im Randbereich erfolgen, der nicht bedruckt wird.
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.
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.
Diesem Problem kann entgegengetreten werden, in dem bei einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative 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.
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.
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.
Es kann so eine direkte und unmittelbare elektrische Kontaktierung erreicht und auf zusätzliche elektrische Kontaktelemente verzichtet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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.
Das zur Herstellung der Folie eingesetzte Silikon war vollständig vernetzt und wurde auf eine Rolle aufgerollt.
Die Folie für die dielektrische Schicht hatte eine Schichtdicke von 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.
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.
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.
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.
Die an der Folie ausgebildeten Elastomeraktoren können durch ein Schneidverfahren anschließend vereinzelt werden.
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.
Dabei kam ein Erichsen MULTICATOR 411 mit einer Breite von 150 mm und einem einstellbaren Spalt von 0 - 1000 µm zum Einsatz.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur Herstellung dielektrischer Elastomeraktoren, bei dem auf eine elastisch verformbare, dielektrische, aus einem Polymer gebildete Folie, die die dielektrische Schicht von Elastomeraktoren bildet, Elektroden aus einem elektrisch leitenden elastischen Polymer, das in zumindest noch nicht vollständig ausgehärteter oder nicht vollständig polymerisierter Form oder in gelöster Form vorliegt und in dem elektrisch leitende Kohlenstoffnanoröhren in dispergierter Form vorliegen, aufgedruckt werden und beim Aufdrucken zumindest die äußere geometrische Randkontur der Elektroden ausgebildet wird, wobei das Aufdrucken des eine für das Drucken geeignete Viskosität aufweisenden elektrisch leitenden Polymers mittels Masken erfolgt, in denen Durchbrechungen, die der geometrischen äußeren Randkontur entsprechen, ausgebildet sind, und durchgeführt wird, indem das elektrisch leitende Polymer in die Durchbrechungen gedruckt wird und/oder das Aufdrucken des eine für das Drucken geeignete Viskosität aufweisenden elektrisch leitenden Polymers mit mindestens einer Druckwalze durchgeführt wird, an deren äußerer Oberfläche die geometrische Randkontur von Elektroden berücksichtigende Drucknäpfchen zur temporären Aufnahme des elektrisch leitenden Polymers ausgebildet sind; und nach dem Aufdrucken eine vollständige Aushärtung oder Polymerisation durchgeführt wird; wobei während des Druckens mit Druckwalzen die die dielektrische Schicht bildende Folie aufgespannt wird, so dass die zu bedruckende Fläche vergrößert ist, und im Anschluss an das Drucken die Spannkräfte gelöst werden und die Fläche der Folie wieder auf die normale Größe gebracht wird, bevor das vollständige Polymerisieren oder Aushärten durchgeführt wird und/oder in Bereichen der Elektroden, die für eine elektrische Kontaktierung vorgesehen sind, ein Werkstoffabtrag in einer äußeren Randschicht erfolgt, der mittels Laserstrahlung erreicht wird, wobei überwiegend Polymer abgetragen wird, in das keine oder nur ein geringer Anteil an elektrisch leitenden Kohlenstoffnanoröhren eingebettet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Masken in Form eines Bandes, bevorzugt eines Endlosbandes, in dem die äußere Randkontur von Elektroden berücksichtigende Durchbrechungen ausgebildet sind, eingesetzt werden, die nach dem Aufdrucken wieder abgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen in Masken unmittelbar vor dem Aufdrucken, bevorzugt mittels eines Laserstrahls, ausgeschnitten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leiterbahnen, die elektrisch leitende Verbindungen zu den Elektroden bilden, ebenfalls aufgedruckt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufdrucken von Elektroden an den zwei gegenüberliegenden Oberflächen der dielektrischen Folie durchgeführt wird, wobei der Aufdruck der Elektroden gleichzeitig oder nacheinander folgend an den beiden Oberflächen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Elektroden bedruckte dielektrische Folien übereinander gestapelt werden und erst dann die vollständige Polymerisation oder Aushärtung durchgeführt wird, so dass mehrere übereinander gestapelte Schichtsysteme, die mit Elektroden, zwischen denen eine dielektrische Schicht angeordnet ist, als ein Elastomeraktor hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach oder bei dem Aufdrucken von Elektroden deren Schichtdicke mit einem Rakel beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Drucken der einzelnen Elektroden jeweils mindestens zwei Druckwalzen eingesetzt werden.