DE102012016376A1 - Geometrical structuring or cutting of dielectric elastomer actuator comprising two electrodes and elastically deformable dielectric layer, comprises e.g. irradiating electrodes with laser beam for removing material of one of electrodes - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur geometrischen Strukturierung oder zum Zuschneiden dielektrischer Elastomeraktoren (DEA). Die auch als dielektrische Polymeraktoren bezeichnet werden, können vielfältig eingesetzt werden und beispielsweise piezoelektrische Aktoren ersetzen oder zusätzliche Anwendungen erschließen. Dabei ist ihre erhöhte Elastizität ein besonderer Vorteil.The invention relates to a method for geometric structuring or for cutting dielectric elastomer actuators (DEA). Which are also referred to as dielectric polymer actuators, can be used in many ways and replace, for example, piezoelectric actuators or develop 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
Bei solchen Elastomeraktoren ist es bisher herstellungsbedingt aber nur möglich, eine grobe Strukturierung an den Elektroden und auch einen geometrischen Zuschnitt an einem vollständigen Elastomeraktor vorzunehmen. Bei den üblicherweise eingesetzten Stanzverfahren können keine kleinen Radien und filigranen geometrischen Strukturen erhalten werden. Außerdem ist die Flexibilität bei der Herstellung unterschiedlichst gestalteter und einsetzbarer Elastomeraktoren mangelhaft.In the case of such elastomer actuators, however, it has hitherto been only possible to carry out a coarse structuring on the electrodes and also a geometrical blank on a complete elastomer actuator. With the punching methods usually used no small radii and filigree geometric structures can be obtained. In addition, the flexibility in the production of highly diversified and usable elastomer actuators is deficient.
So müssen für bestimmte Anwendungen sehr fein strukturierte Elektroden an einem Elastomeraktor hergestellt werden. So ist es beispielsweise gewünscht Elektroden in sehr filigraner Mäanderform oder anderen komplizierten geometrischen Formen auszubilden, was bei der Herstellung bisher nicht ausreichend möglich ist.Thus, for certain applications, very finely structured electrodes must be produced on an elastomer actuator. Thus, for example, it is desired to form electrodes in a very filigree meander shape or other complicated geometric shapes, which has hitherto not been sufficiently possible in the production.
Es ist auch häufig erforderlich besondere äußere Randstrukturen auszubilden, die auch gleichmäßige Kanten und Ränder aufweisen sollen. Werkstoffanhäufungen oder eine Kraterbildung sind dabei in Randbereichen unerwünscht.It is also often necessary to form special outer edge structures, which should also have uniform edges and edges. Material accumulations or cratering are undesirable in peripheral areas.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dielektrische Elastomeraktoren in filigraner Form mit feiner Elektrodenstrukturierung und Elastomeraktoren mit qualitativ verbesserter Randkontur herstellen zu können.It is therefore an object of the invention to be able to produce dielectric elastomer actuators in filigree form with fine electrode structuring and elastomer actuators with qualitatively improved edge contour.
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 mindestens eine elastisch verformbare schichtförmige Elektrode und eine mit der Elektrode flächig verbundene elastisch verformbare dielektrische Schicht, mittels eines Laserstrahls bestrahlt. Der Laserstahl weist eine Wellenlänge auf, die von dem Elektrodenwerkstoff absorbiert und die vom Werkstoff der dielektrischen Schicht nicht oder deutlich weniger absorbiert wird, so dass im Einwirkbereich des Laserstrahlbrennflecks zumindest überwiegend Werkstoff der Elektrode abgetragen wird. Der jeweilige Elastomeraktor und der Brennfleck des Laserstrahls werden dabei zweidimensional relativ zueinander bewegt.In the method according to the invention, at least one elastically deformable layer-shaped electrode and an elastically deformable dielectric layer connected in a planar manner to the electrode are irradiated by means of a laser beam. The laser beam has a wavelength which is absorbed by the electrode material and which is not or significantly less absorbed by the material of the dielectric layer, so that at least predominantly material of the electrode is removed in the area of action of the laser beam focal spot. The respective elastomer actuator and the focal spot of the laser beam are thereby moved two-dimensionally relative to each other.
Dabei soll unter „überwiegend” eine um mindestens 50% geringere Absorption zu verstehen sein. Eine Relativbewegung kann durch Bewegung des Brennflecks des Laserstrahls und/oder des jeweils zu bearbeitenden Elastomeraktors erreicht werden. Es können auch mehrere Elastomeraktoren gemeinsam auf einem Träger angeordnet sein und darauf dann eine Bearbeitung durchgeführt werden.The term "predominantly" should be understood to mean at least 50% lower absorption. A relative movement can be achieved by moving the focal spot of the laser beam and / or the respective elastomer actuator to be processed. It is also possible to arrange a plurality of elastomer actuators together on a carrier and then to carry out a processing thereon.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sollte der Elektrodenwerkstoff im Einflussbereich des Brennflecks soweit entfernt werden, dass dort ein elektrisch nicht leitender Bereich ausgebildet wird. Dabei kann es ausreichend sein, eine Werkstoffentfernung durchzuführen, bei der in den gewünschten Bereichen die Perkolationsschwelle unterschritten wird. Dabei können beispielsweise im Elektrodenwerkstoff enthaltene elektrisch leitende Partikel insoweit sublimiert oder durch Ablation entfernt werden, dass die Perkolationsschwelle unterschritten wird. Hier soll auf die in
An einer dielektrischen Schicht erfolgt durch die Laserstrahlung kein oder nur ein geringfügiger lokaler Werkstoffabtrag, der deren Funktionalität nicht beeinträchtigt. Due to the laser radiation, no or only a small amount of local material removal takes place on a dielectric layer, which does not affect its functionality.
Bei der Relativbewegung von Laserstrahl und Elastomeraktor kann gleichzeitig an mehreren Elektroden, die von jeweils einer dielektrischen Schicht voneinander getrennt sind, der Werkstoffabtrag erfolgen. Dies bedeutet, dass ein Laserstrahl sowohl eine erste Elektrode bestrahlen kann und dabei der Werkstoff an dieser Elektrode im bestrahlten Bereich abgetragen wird. Der Laserstrahl dann die dielektrische Schicht durchdringt, darin nicht bzw. nur gering absorbiert wird und dann auf die in Richtung der optischen Achse des Laserstrahls nach der dielektrischen Schicht angeordnete Elektrode auftrifft und dort einen Werkstoffabtrag bewirkt. Die beiden Elektroden können dabei in gleicher Form strukturiert werden. Es können aber auch mehr als zwei Elektroden, die jeweils von einer dielektrischen Schicht getrennt sind, so bearbeitet werden, wenn ein entsprechender Mehrschichtaufbau an einem Elastomeraktor verwirklicht worden ist.In the relative movement of laser beam and Elastomeraktor can be carried out at the same time at a plurality of electrodes which are separated from each other by a dielectric layer, the material removal. This means that a laser beam can both irradiate a first electrode and thereby the material is removed at this electrode in the irradiated area. The laser beam then penetrates the dielectric layer, is not or only slightly absorbed in it and then impinges on the arranged in the direction of the optical axis of the laser beam after the dielectric layer electrode and causes there a material removal. The two electrodes can be structured in the same way. However, it is also possible to process more than two electrodes, which are each separated from a dielectric layer, when a corresponding multilayer structure has been implemented on an elastomer actuator.
Dabei kann die Brennpunktebene durch eine variierbare Fokussierung so verlagert werden, dass die Brennpunktebene entsprechend nachgeführt wird, wenn die Bearbeitung an den jeweiligen Elektroden in den Ebenen, in denen diese angeordnet sind, durchgeführt wird.In this case, the focal plane can be displaced by a variable focus so that the focal plane is tracked accordingly when the processing is performed on the respective electrodes in the planes in which they are arranged.
Zwei an gegenüberliegenden Oberflächen einer dielektrischen Schicht ausgebildete Elektroden können durch jeweils einen gesonderten Laserstrahl bearbeitet werden. Diese Laserstrahlen können von den entsprechenden Seiten auf die jeweilige Oberfläche der jeweiligen Elektrode gerichtet werden. Dies kann aber auch durch den Einsatz mindestens eines Strahlteilers erreicht werden, mit dem jeweils ein Teilstrahl eines Laserstrahls auf eine Elektrode gerichtet wird. Dabei können zusätzliche Umlenkspiegel, die auch als Scannerspiegel ausgebildet sein können, eingesetzt werden.Two electrodes formed on opposite surfaces of a dielectric layer may each be processed by a separate laser beam. These laser beams can be directed from the respective sides to the respective surface of the respective electrode. However, this can also be achieved by the use of at least one beam splitter with which in each case a partial beam of a laser beam is directed onto an electrode. In this case, additional deflecting mirror, which can also be designed as a scanner mirror, can be used.
Ein Zuschnitt an einem Elastomeraktor kann durchgeführt werden, indem ein Werkstoffabtrag an der/den dielektrischen Schicht(en) mit einem zweiten Laserstrahl, einer Wellenlänge, die vom Werkstoff der dielektrischen Schicht(en) absorbiert wird, eingesetzt wird.A cut to an elastomer actuator may be performed by employing a material removal at the dielectric layer (s) with a second laser beam, a wavelength absorbed by the material of the dielectric layer (s).
Dies kann aber auch durch eine Erhöhung der Energiedichte im Brennfleck, einer Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck bewegt wird, und/oder Erhöhung der Laserleistung durchgeführt werden, wenn der Brennfleck auf Oberflächenbereiche auftrifft, an denen ein Schnitt durch den Elastomeraktor ausgebildet werden soll. Außerdem besteht die Möglichkeit, bei einem Zuschnitt den Laserstrahl mehrfach über auszuschneidende Bereiche zu bewegen.But this can also be done by increasing the energy density in the focal spot, reducing the feed rate at which the focal spot is moved, and / or increasing the laser power when the focal spot is incident on surface areas where a cut is to be made through the elastomer actuator , In addition, it is possible to move the laser beam several times over a cut to be cut out areas.
Vorteilhaft ist es, wenn während der Bearbeitung der oder die zu bearbeitende(n) Elastomeraktor(en) in mindestens eine Achsrichtung vorgespannt wird/werden, so dass bei der Bearbeitung seine Fläche vergrößert wird. Dadurch wird eine Streckung der Werkstoffe erreicht, die die Dicke der Elektroden und der dielektrischen Schicht(en) reduziert. Außerdem kann dadurch ein schmalerer Bereich entlang der Bewegung des Brennflecks erreicht werden, so dass ein schmalerer Bereich der jeweiligen Elektrode, der dann nicht mehr elektrisch leitend ist, ausgebildet werden kann. Seine Breite kann, nach dem die Vorspannung am Elastomeraktor wieder gelöst worden ist, kleiner als die größte Ausdehnung des eingesetzten Brennflecks sein. Werden Elastomeraktoren in alle Richtungen vorgespannt, kann dies in jede Vorschubachsrichtung des Brennflecks erreicht werden.It is advantageous if, during machining, the elastomer actuator (s) to be machined is / are biased in at least one axial direction, so that its surface is enlarged during machining. This achieves stretching of the materials which reduces the thickness of the electrodes and the dielectric layer (s). In addition, a narrower area along the movement of the focal spot can thereby be achieved, so that a narrower area of the respective electrode, which is then no longer electrically conductive, can be formed. Its width, after the bias has been released at the Elastomeraktor again, be smaller than the largest extension of the focal spot used. If elastomer actuators are biased in all directions, this can be achieved in each feed axis direction of the focal spot.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Elastomeraktoren bearbeitet werden, bei denen die Elektrode(n), die aus einem elastomeren Polymer gebildet ist/sind, der eine Matrix für elektrisch leitende Partikel, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren, bildet, und bevorzugt die dielektrische Schicht(en) aus dem gleichen elastischen Polymer ausgebildet sind.With the method according to the invention, elastomer actuators can be processed, in which the electrode (s) formed of an elastomeric polymer which forms a matrix for electrically conductive particles, in particular carbon nanotubes, and preferably the dielectric layer (s) of the same elastic polymer are formed.
Als Polymere können bevorzugt Polyurethane, Polyacrylate oder Silikone (z. B. Silikonkautschuk, Silikonharz) eingesetzt werden.The polymers used may preferably be polyurethanes, polyacrylates or silicones (eg silicone rubber, silicone resin).
Der Werkstoffabtrag kann bei der Erfindung zumindest überwiegend durch Ablation erreicht werden.The material removal can be achieved in the invention, at least predominantly by ablation.
Durch die Relativbewegung, die bevorzugt mit einem zweidimensional auslenkbaren Laserstrahl erreicht werden kann, können beliebige geometrische Strukturen bearbeitet oder ausgeschnitten werden. Toleranzen können reduziert und Passungen unterschiedlicher geometrischer Strukturierungen an bzw. von Elastomeraktorstrukturen für eine gezielte Erreichung von Wirkungen können erreicht werden. Es können Strukturbreiten kleiner 500 μm realisiert werden, wobei der geometrischen Vielfalt und Abmessungen nahezu keine Grenzen gesetzt sind.By the relative movement, which can preferably be achieved with a two-dimensionally deflectable laser beam, any geometric structures can be machined or cut out. Tolerances can be reduced and fits of different geometrical structurings to or from elastomer actuator structures for a targeted achievement of effects can be achieved. Structure widths smaller than 500 μm can be realized, whereby the geometric variety and dimensions are almost unlimited.
Es besteht auch die Möglichkeit, vor der eigentlichen Bearbeitung mit dem Laserstrahl eine mechanische Vorprägung durchzuführen. Dabei können Druckmasken eingesetzt werden. Es wird eine Verjüngung bzw. eine Verkleinerung der Dicke des jeweiligen Elastomeraktors in den nachfolgend zu strukturierenden oder auszuschneidenden Bereichen durchgeführt.It is also possible to perform a mechanical pre-stamping before the actual processing with the laser beam. In this case, printmasks can be used. A reduction or a reduction in the thickness of the respective elastomer actuator is carried out in the areas to be subsequently structured or cut out.
Eine Vorprägung kann aber auch in Bereichen erfolgen, in denen kein Werkstoffabtrag erfolgt. Dadurch können die mechanischen Eigenschaften der Elastomeraktoren beeinflusst werden. Solche vorgeprägten Bereiche können z. B. eine Gelenkfunktion erfüllen. However, an impression can also be made in areas where no material removal takes place. This can influence the mechanical properties of the elastomer actuators. Such pre-embossed areas can, for. B. fulfill a joint function.
Auch herstellungsbedingt ggf. auftretende geometrische Inhomogenitäten, die bevorzugt im Randbereich auftreten und zu lokalen Feldstärkeüberhöhungen der elektrischen Feldstärke bis hin zu elektrischen Durchschlägen oder Kurzschlüssen führen können, können bei der Erfindung korrigiert werden. So können beispielsweise Randüberhöhungen beseitigt werden. Dies kann durch gezielten schichtweisen Werkstoffabtrag in einem überhöhten Randbereich erreicht werden.Also due to the production possibly occurring geometric inhomogeneities, which preferably occur in the edge region and can lead to local field strength peaks of the electric field strength to electrical breakdowns or short circuits can be corrected in the invention. For example, margins can be eliminated. This can be achieved by targeted layered material removal in an excessive edge area.
Durch die mit der Erfindung erreichbare Elektrodenstrukturierung und Formgebung der Elastomeraktoren kann eine Anpassung an die verschiedensten Anwendungsfälle für eine gezielte Verformung und Kraftwirkung, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den jeweiligen Elastomeraktor in jeweils gewünschte Achsrichtungen erreicht werden. Es können komplexe Geometrien strukturiert und ausgeschnitten werden.By achievable with the invention electrode patterning and shaping of the elastomer actuators can be adapted to a variety of applications for targeted deformation and force, which are achieved by applying an electrical voltage to the respective Elastomeraktor in each desired axis directions. Complex geometries can be structured and cut out.
Eine Funktionsbeeinträchtigung der dielektrischen Schichten kann vollständig, zumindest jedoch weitestgehend vermieden werden.A functional impairment of the dielectric layers can be completely, but at least largely avoided.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Ein Elastomeraktor dessen dielektrische Schicht allein aus einem Silikon DowCorning Sylgard 184 – 2K Silocone bestand, war mit zwei Elektroden an beiden Oberflächen versehen. Die Elektroden waren mit demselben Silikon gebildet und enthielten zusätzlich einwandige Kohlenstoffnanoröhren mit einem Anteil von jeweils ca. 3 Masse-%. Damit war die Perkolationsschwelle, die bei 0,1 Masse-% erreicht war, überschritten. Die dielektrische Schicht hatte eine Dicke von 0,1 mm und die Elektroden hatten eine Schichtdicke von 0,05 mm.An elastomer actuator whose dielectric layer consisted of a silicone DowCorning Sylgard 184-2K Silocone alone was provided with two electrodes on both surfaces. The electrodes were formed with the same silicone and additionally contained single-walled carbon nanotubes in a proportion of about 3% by mass. This exceeded the percolation threshold, which reached 0.1% by mass. The dielectric layer had a thickness of 0.1 mm and the electrodes had a layer thickness of 0.05 mm.
Für die Strukturierung der Elektroden wurde ein Faserlaser, der Laserstrahlung der Wellenlänge 1062 nm emittierte, eingesetzt. Die Bestrahlung erfolgte in gepulster Form mit einer Pulsdauer von 120 ns. Es wurde mit einer Energiedichte im Brennfleck von 230 J/cm2 und einer Vorschubgeschwindigkeit von 4 m/s gearbeitet. Der Laserstrahl wurde mit einem Brennfleckdurchmesser von 25 μm eingestrahlt, wobei eine nachführende Fokussierung in den jeweiligen Ebenen erfolgte.For structuring the electrodes, a fiber laser emitting laser radiation of wavelength 1062 nm was used. The irradiation was carried out in pulsed form with a pulse duration of 120 ns. It was worked with an energy density in the focal spot of 230 J / cm 2 and a feed rate of 4 m / s. The laser beam was irradiated with a focal spot diameter of 25 μm, with a tracking focusing in the respective planes.
Unter diesen Bedingungen konnte der Elektrodenwerkstoff in den bestrahlten Bereichen vollständig entfernt werden, ohne eine Beeinträchtigung der Durchschlagsfestigkeit bis zu mindestens 7 kV zu erreichen.Under these conditions, the electrode material in the irradiated areas could be completely removed without affecting the dielectric strength up to at least 7 kV.
Die Laserstrahlung wurde von der dielektrischen Schicht nahezu nicht absorbiert, so dass die beiden Elektroden mit dem einen Laserstrahl, bei einer Durchstrahlung der dielektrischen Schicht in einem Zug strukturiert bzw. ablatiert werden konnten. Der Laserstrahl wurde zweidimensional ausgelenkt, so dass die Relativbewegung allein durch die Auslenkung erreicht werden konnte.The laser radiation was almost not absorbed by the dielectric layer, so that the two electrodes could be structured or ablated with the one laser beam when the dielectric layer was irradiated in one go. The laser beam was deflected two-dimensionally, so that the relative movement could be achieved solely by the deflection.
Zum Ausschneiden eines Elastomeraktors oder Teilen an einem Elastomeraktor wurde der gleiche Faserlaser mit den gleichen Parametern eingesetzt. Dabei wurde die Anzahl, mit der der Laserstrahl über zu trennende Bereiche geführt wurde, erhöht. Diese Bereiche wurden bei der Vorschubbewegung des Brennflecks ca. zehn- bis fünfzehnmal überstrichen/bestrahlt.For cutting an elastomer actuator or parts on an elastomer actuator, the same fiber laser with the same parameters was used. The number of times the laser beam was guided over areas to be separated was increased. These areas were swept / irradiated about ten to fifteen times during the advancing movement of the focal spot.
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