CN107901310A - 一种柔性气动机械手的制备方法 - Google Patents

一种柔性气动机械手的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种柔性气动机械手的制备方法，它涉及一种气动机械手的制备方法。本发明是为了解决目前软体机械手的力学性能较差的技术问题。本发明：一、外层Ecoflex00‑30的制备；二、芯部PDMS的制备。本发明柔性气动机械手中的外壳和芯部之间的柔性过渡层以提高材料性能和改善柔性机械手的气动响应。本发明应用于制备柔性气动机械手。

Description

一种柔性气动机械手的制备方法
技术领域
本发明涉及一种气动机械手的制备方法。
技术背景
随着社会的进步和科技的发展，机械手将渗透到包括工业、服务业、航天、医疗等众多行业领域，辅助人们完成特定环境及危险区域的相关任务，降低劳动强度，改善工作环境与生活条件。因此，机械手的研究与制造具有深远的学术价值与应用意义。
目前国内外对硬质机械手的研究相对成熟，已经有一定规模的商业应用。然而硬质机械手仍存在一些不足：
(1)关节结构柔性不足，自由度较低，不易操纵复杂形状的目标；
(2)体积、质量均较大，操作能耗高；
(3)制造难度较大，生产成本较高。
软体机械手有望弥补硬质机械手的不足。软体机械手由柔性高分子材料制备而成，具有无限自由度，理论上可产生的状态无穷多，同时具有密度低、驱动力极小、加工工艺简单等优点。
在大量软体机械手的研究中，George M.Whitesides以硅橡胶弹性体为基体的气动机械手研究取得了初步的成果，是向样品孔道中施加气压，弹性体薄侧壁会发生明显的扩张，弹性体外侧与高模量柔性材料(如纸张、布料、纤维等材料)复合后，继续施加气压时，硅橡胶的另一侧发生变形，从而导致复合材料发生弯曲运动。不过此方法制备的软体机械手的力学性能较差。
发明内容
本发明是为了解决目前软体机械手的力学性能较差的技术问题，而提供一种柔性气动机械手的制备方法。
本发明的柔性气动机械手的制备方法是按以下步骤进行的：
一、外层的制备：
①将模具表面均匀喷涂硅橡胶脱模剂，将Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B 混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中分散5min～15min，然后置于冰水浴中，得到Ecoflex00-30预聚混合物；所述的Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B的质量比为(0.6～1.2):1；所述的模具的外壳是一个空心的圆柱体，模具的芯部是一个与外壳同轴的两端封闭的圆柱体；在外壳和芯部之间均匀布置3个弧形片，作为气体控制通道；
②向模具中灌注Ecoflex00-30预聚混合物，将模具放入真空干燥器中并抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具；所述的灌注Ecoflex00-30预聚混合物的体积为模具容积的 1/4；
③重复步骤②至模具完全充满，最后将模具置于恒温鼓风干燥器，在温度为 40℃～120℃的条件下固化30min～40min；
二、芯部的制备：
①将PDMS前驱体与固化液混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声5min～30min，得到PDMS预聚混合物；所述的PDMS前驱体与固化液的质量比为(2～16):1；
②将模具的芯部取出，然后向模具的芯部位置灌注PDMS预聚混合物，将模具放入真空干燥箱中抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具；所述的灌注PDMS预聚混合物的体积为模具芯部容积的1/3；
③重复步骤②至模具的芯部充满，将模具放入恒温鼓风干燥器中，在温度为 40℃～120℃的条件下固化6h～120h，将模具的外壳和3个实心的弧形管脱模，得到柔性气动机械手。
本发明中的Ecoflex00-30组分A是铂催化硅橡胶基体，Ecoflex00-30组分B是铂催化硅橡胶固化剂，均购买自美国smooth-on公司；Ecoflex00-30是铂催化硅橡胶的一个规格型号。
本发明中的PDMS前驱体是硅橡胶弹性体基体，固化液是硅橡胶弹性体固化剂，均购买自美国Dow Corning公司，规格为S184，PDMS前驱体为组分A，固化液为组分B。
本发明优点：
本发明柔性气动机械手中的外壳Ecoflex00-30和芯部PDMS之间的柔性过渡层以提高材料性能和改善柔性机械手的气动响应，杨氏模量达到0.073MPa，断裂伸长率达到1445.7％。
附图说明
图1为具体实施方式一中模具的示意图，1为模具外壳，2为模具芯部，3为弧形片；
图2为试验四中全固化工艺下三明治结构样品断面的扫描电镜照片；
图3为试验四中全固化工艺下三明治结构样品断面的扫描电镜照片；
图4为试验三中半固化工艺下三明治结构样品断面的扫描电镜照片；
图5为试验三中半固化工艺下三明治结构样品断面的扫描电镜照片；
图6为试验三和四的Ecoflex 00-30/PDMS/Ecoflex 00-30三明治结构样条的示意图，1 为Ecoflex 00-30，2为PDMS，3为Ecoflex 00-30。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种柔性气动机械手的制备方法是按以下步骤进行的：
一、外层的制备：
①将模具表面均匀喷涂硅橡胶脱模剂，将Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B 混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中分散5min～15min，然后置于冰水浴中，得到Ecoflex00-30预聚混合物；所述的Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B的质量比为(0.6～1.2):1；所述的模具的外壳是一个空心的圆柱体，模具的芯部是一个与外壳同轴的两端封闭的圆柱体，在外壳和芯部之间均匀布置3个弧形片；
②向模具中灌注Ecoflex00-30预聚混合物，将模具放入真空干燥器中并抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具；所述的灌注Ecoflex00-30预聚混合物的体积为模具容积的 1/4；
③重复步骤②至模具完全充满，最后将模具置于恒温鼓风干燥器，在温度为 40℃～120℃的条件下固化30min～40min；
二、芯部的制备：
①将PDMS前驱体与固化液混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声5min～30min，得到PDMS预聚混合物；所述的PDMS前驱体与固化液的质量比为(2～16):1；
②将模具的芯部取出，然后向模具的芯部位置灌注PDMS预聚混合物，将模具放入真空干燥箱中抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具；所述的灌注PDMS预聚混合物的体积为模具芯部容积的1/3；
③重复步骤②至模具的芯部充满，将模具放入恒温鼓风干燥器中，在温度为 40℃～120℃的条件下固化6h～120h，将模具的外壳和3个实心的弧形管脱模，得到柔性气动机械手。
本发明中的Ecoflex00-30组分A是铂催化硅橡胶基体，Ecoflex00-30组分B是铂催化硅橡胶固化剂，均购买自美国smooth-on公司；Ecoflex00-30是铂催化硅橡胶的一个规格型号。
本发明中的PDMS前驱体是硅橡胶弹性体基体，固化液是硅橡胶弹性体固化剂，均购买自美国Dow Corning公司，规格为S184，PDMS前驱体为组分A，固化液为组分B。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一①所述的硅橡胶脱模剂为Molykote316。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一①所述的Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B的质量比为1:1。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一③中在温度为60℃的条件下固化30min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二①所述的PDMS前驱体与固化液的质量比为10:1。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二③在温度为60℃的条件下固化20h。其他与具体实施方式一相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为PDMS样条的制备方法：
①将模具表面均匀喷涂硅橡胶脱模剂，将PDMS前驱体与固化液混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声5min，得到PDMS预聚混合物；所述的PDMS前驱体与固化液的质量比为10:1；所述的硅橡胶脱模剂为Molykote316；
②向模具中灌注PDMS预聚混合物，将模具放入真空干燥箱中抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具，将模具放入恒温鼓风干燥器中，在温度为60℃的条件下固化20h，脱模得到PDMS样条。
试验二：本试验为Ecoflex 00-30样条的制备方法：
①将模具表面均匀喷涂硅橡胶脱模剂，将Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B 混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中分散5min，然后置于冰水浴中，得到Ecoflex00-30 预聚混合物；所述的Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B的质量比为1:1；所述的硅橡胶脱模剂为Molykote316；
②向模具中灌注Ecoflex00-30预聚混合物，将模具放入真空干燥器中并抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具，将模具置于恒温鼓风干燥器，在温度为60℃的条件下固化 3h，脱模得到Ecoflex 00-30样条。
试验三：本试验为Ecoflex 00-30/PDMS/Ecoflex 00-30三明治结构样条的制备方法：
①将模具表面均匀喷涂硅橡胶脱模剂，将Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B 混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中分散5min，然后置于冰水浴中，得到Ecoflex00-30 预聚混合物；所述的Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B的质量比为1:1；所述的硅橡胶脱模剂为Molykote316；
②向模具中灌注Ecoflex00-30预聚混合物，将模具放入真空干燥器中并抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具，将模具置于恒温鼓风干燥器，在温度为60℃的条件下固化 0.5h，自然冷却后去除模具；
③将PDMS前驱体与固化液混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声5min，得到PDMS预聚混合物；所述的PDMS前驱体与固化液的质量比为10:1；
④向步骤②冷却后的模具中灌注PDMS预聚混合物，将模具放入真空干燥箱中抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具，将模具放入恒温鼓风干燥器中，在温度为60℃的条件下固化2h，自然冷却后去除模具；
⑤向模具中灌注Ecoflex00-30预聚混合物，将模具放入真空干燥器中并抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具，将模具置于恒温鼓风干燥器，在温度为60℃的条件下固化 3h，自然冷却后脱模得到Ecoflex 00-30/PDMS/Ecoflex 00-30三明治结构样条；
本试验中步骤②、④和⑤中三次灌注的预聚混合物的质量相同。
试验四：本试验为Ecoflex 00-30/PDMS/Ecoflex 00-30三明治结构样条的制备方法：
①将模具表面均匀喷涂硅橡胶脱模剂，将Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B 混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中分散5min，然后置于冰水浴中，得到Ecoflex00-30 预聚混合物；所述的Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B的质量比为1:1；所述的硅橡胶脱模剂为Molykote316；
②向模具中灌注Ecoflex00-30预聚混合物，将模具放入真空干燥器中并抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具，将模具置于恒温鼓风干燥器，在温度为60℃的条件下固化 3h，自然冷却后去除模具；
③将PDMS前驱体与固化液混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声5min，得到PDMS预聚混合物；所述的PDMS前驱体与固化液的质量比为10:1；
④向步骤②冷却后的模具中灌注PDMS预聚混合物，将模具放入真空干燥箱中抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具，将模具放入恒温鼓风干燥器中，在温度为60℃的条件下固化6h，自然冷却后去除模具；
⑤向模具中灌注Ecoflex00-30预聚混合物，将模具放入真空干燥器中并抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具，将模具置于恒温鼓风干燥器，在温度为60℃的条件下固化 3h，自然冷却后脱模得到Ecoflex 00-30/PDMS/Ecoflex 00-30三明治结构样条；
本试验中步骤②、④和⑤中三次灌注的预聚混合物的质量相同。
图2和3为试验四中全固化工艺下三明治结构样品断面的扫描电镜照片，区域A为PDMS，区域B为Ecoflex 00-30，可看出PDMS与Ecoflex 00-30有着不同的表面纹理，可以看出PDMS与Ecoflex 00-30两相中间有一条清晰的界线，表明全固化工艺制备的样品中PDMS与Ecoflex00-30仅存在物理作用；
图4和5为试验三中半固化工艺下三明治结构样品断面的扫描电镜照片，区域A为PDMS，区域B为Ecoflex 00-30，区域C为柔性过渡层，可以看出PDMS与Ecoflex 00-30 两相之间没有明晰的界面而是存在着一段模糊的过渡段，这说明半固化工艺在界面处形成了一个范围较大的柔性过渡层。
表1是试验一至四制备的样条的杨氏模量和断裂伸长率的数据表。
由表1可知，PDMS的杨氏模量远高于Ecoflex 00-30，这说明PDMS更具有刚性，在相同的外力作用下，Ecoflex00-30具有较大的变形，可以实现对目标物体的操作，而 PDMS杨氏模量较高，可以起支撑的作用。因此，以PDMS作为芯层，外部包裹低模量的Ecoflex00-30的结构，当对内部孔道施加气压时，即可实现原型件的可控运动，这也是本发明采用PDMS和Ecoflex 00-30两类材料制备柔性气动机械臂触手的基础。
半固化和全固化两种三明治结构样条的断裂伸长率几乎相同，而半固化工艺的三明治结构样条的杨氏模量明显高于全固化工艺的三明治结构样条，这是因为半固化工艺的样条中PDMS与Ecoflex 00-30的结合作用要优于全固化工艺的样条，在拉伸过程当中，柔性过渡层的存在使得样条内部各组分之间有效的分担了外部应力，因而半固化工艺所得样条的杨氏模量要高一些。
表1
测试样品 杨氏模量(MPa) 断裂伸长率(％)
PDMS样条 1.83 436.7
Ecoflex 00-30样条 0.073 1445.7
半固化三明治结构样条 0.42807 634.61016
全固化三明治结构样条 0.28 668.81

Claims (6)

1.一种柔性气动机械手的制备方法，其特征在于柔性气动机械手的制备方法是按以下步骤进行的：
一、外层的制备：
①将模具表面均匀喷涂硅橡胶脱模剂，将Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中分散5min～15min，然后置于冰水浴中，得到Ecoflex00-30预聚混合物；所述的Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B的质量比为(0.6～1.2):1；所述的模具的外壳是一个空心的圆柱体，模具的芯部是一个与外壳同轴的两端封闭的圆柱体，在外壳和芯部之间均匀布置3个弧形片；所述的Ecoflex00-30组分A为铂催化硅橡胶基体，所述的Ecoflex00-30组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
②向模具中灌注Ecoflex00-30预聚混合物，将模具放入真空干燥器中并抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具；所述的灌注Ecoflex00-30预聚混合物的体积为模具容积的1/4；
③重复步骤②至模具完全充满，最后将模具置于恒温鼓风干燥器，在温度为40℃～120℃的条件下固化30min～40min；
二、芯部的制备：
①将PDMS前驱体与固化液混合并搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声5min～30min，得到PDMS预聚混合物；所述的PDMS前驱体与固化液的质量比为(2～16):1；
②将模具的芯部取出，然后向模具的芯部位置灌注PDMS预聚混合物，将模具放入真空干燥箱中抽真空，当模具中无气泡冒出时取出模具；所述的灌注PDMS预聚混合物的体积为模具芯部容积的1/3；
③重复步骤②至模具的芯部充满，将模具放入恒温鼓风干燥器中，在温度为40℃～120℃的条件下固化6h～120h，将模具的外壳和3个实心的弧形管脱模，得到柔性气动机械手；
所述的PDMS前驱体为硅橡胶弹性体基体，所述的固化液为硅橡胶弹性体固化剂。
2.根据权利要求1所述的一种柔性气动机械手的制备方法，其特征在于步骤一①所述的硅橡胶脱模剂为Molykote316。
3.根据权利要求1所述的一种柔性气动机械手的制备方法，其特征在于步骤一①所述的Ecoflex00-30组分A与Ecoflex00-30组分B的质量比为1:1。
4.根据权利要求1所述的一种柔性气动机械手的制备方法，其特征在于步骤一③中在温度为60℃的条件下固化30min。
5.根据权利要求1所述的一种柔性气动机械手的制备方法，其特征在于步骤二①所述的PDMS前驱体与固化液的质量比为10:1。
6.根据权利要求1所述的一种柔性气动机械手的制备方法，其特征在于步骤二③在温度为60℃的条件下固化20h。
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