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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren.
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Elastomer-Aktuatoren gehören zur Gruppe der elektroaktiven Polymere (EAP), die durch Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern. Bei den Elastomer-Aktuatoren werden als Polymere Elastomere eingesetzt. Die Elastomer-Aktuatoren können als Aktoren oder Sensoren eingesetzt werden. Bei den elektroaktiven Polymeren wird in der Regel zwischen ionischen EAPs und elektronischen EAPs unterschieden. Bei den elektronischen EAPs sind insbesondere dielektrische Elastomere (DEA) von Bedeutung.
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Durch herkömmliche Herstellungsverfahren hergestellte DEAs benötigen nach dem Stand der Technik eine relativ hohe Betriebsspannung im kV-Bereich. Für den praktischen Einsatz sind wesentlich geringere Betriebsspannungen erwünscht. Die Reduktion der Betriebsspannung kann im Wesentlichen durch die Veränderung zweier Parameter herbeigeführt werden. Zum einen kann man die Permittivität des eingesetzten Folien-Materials von üblich ca. 3 auf mindestens 10 erhöhen, was eine Reduktion der Spannung um den Faktor 3 und mehr führt. Weiterhin kann man die Foliendicke, welche einen quadratischen Einfluss auf die Betriebsspannung hat, deutlich vermindern. Übliche Foliendicken sind derzeit im Bereich von 50 μm.
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Der Einsatz dünnerer Folien, beispielsweise im Bereich von 10 μm oder darunter, ist seither nicht erwogen worden, da das Handling zu schwierig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren bereitzustellen, mit dem beziehungsweise durch die es möglich ist, aus gegenüber dem Stand der Technik wesentlich dünneren Elastomer-Folien aufgebaute Elastomer-Aktuatoren herzustellen, um eine deutliche Verringerung der einzusetzenden Betriebsspannung zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 16 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren läuft nach folgenden Schritten ab:
- – Aufbringen wenigstens einer Elastomer-Folie auf einen Folienträger, wodurch ein Folie-Folienträger-Verbund entsteht,
- – Beschichten wenigstens einer Elektrodenschicht auf die Elastomer-Folie, bevor oder nachdem die Elastomer-Folie auf den Folienträger aufgebracht wurde, wodurch eine beschichtete Elastomer-Folie entsteht,
- – Laminieren der beschichteten Elastomer-Folie mit einer mittels Folienträger zugeführten beschichteten oder unbeschichteten Elastomer-Folie,
- – mehrfache Wiederholung des Laminiervorgangs zur Aufbau einer Multilayer-Struktur bestehend aus einer Vielzahl von aufeinanderliegenden beschichteten Elastomer-Folien,
- – Durchkontaktierung der Multilayer-Struktur mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktierungsmaterial,
- – Vereinzeln der durchkontaktierten Multilayer-Struktur zu Elastomer-Aktuatoren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren ist gekennzeichnet durch:
- – wenigstens einen Folienträger, auf den wenigstens eine Elastomer-Folie aufbringbar ist, wodurch ein Folie-Folienträger-Verbund entsteht,
- – eine Transporteinrichtung zum Transport eines Folie-Folienträger-Verbundes aus einer Elastomer-Folie und einem Folienträger,
- – wenigstens eine Laminierstation zum Laminieren der beschichteten Elastomer-Folie mit einer mittels Folienträger zugeführten beschichteten oder unbeschichteten Elastomer-Folie,
- – wenigstens eine Kontaktierungsstation zur Durchkontaktierung der Multilayer-Struktur mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktierungsmaterial und
- – wenigstens eine Vereinzelungsstation zur Vereinzelung der durchkontaktierten Multilayer-Struktur zu Elastomer-Aktuatoren.
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Ein wesentliches Element der Erfindung ist ein Folienträger, auf den die Elastomer-Folie aufgebracht werden kann, wodurch auch sehr dünne Elastomer-Folien, beispielsweise solche mit einer Foliendicke von 10 μm oder darunter, eingesetzt und für den Aufbau der Elastomer-Aktuatoren verwendet werden können. Durch den Folienträger ist das Handling solch dünner Elastomer-Folien möglich.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst durch Aufbringen wenigstens einer Elastomer-Folie auf den Folienträger ein Folie-Folienträger-Verbund gebildet, der aufgrund des deutlich stabileren Folienträger-Materials gegenüber dem Elastomer-Material der Elastomer-Folien deutlich besser handhabbar ist als die Elastomer-Folie ohne Folienträger. Es ist möglich, eine oder auch mehrere Elastomer-Folien übereinander auf den Folienträger aufzubringen. Zweckmäßigerweise erfolgt jedoch zunächst das Aufbringen einer einzelnen Elastomer-Folie, also einer ersten Lage beziehungsweise Schicht, die dann in nachfolgenden Bearbeitungsstationen bearbeitet wird.
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Bei dem Folienträger handelt es sich vorzugsweise um ein flexibles, insbesondere aufrollbares Folienträgerband. Zweckmäßigerweise wird das Folienträgerband nach dem Beschichten mit wenigstens einer Elastomer-Folie gemeinsam mit dieser zu einer Verbundrolle aufgerollt, die sich dann in einfacher Weise transportieren lässt und einer nachgelagerten Bearbeitungsstation zuführen lässt. Es ist auch möglich, den Folienträger bereits im aufgerollten Zustand bereitzustellen und die Beschichtung beziehungsweise Aufbringung der wenigstens einen Elastomer-Folie nach dem Ausrollen des Folienträgers zu einem langgestreckten ebenen Band durchzuführen.
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Es ist möglich, dass die Elastomer-Folie auf das aufrollbare Folienträgerband aufgebracht wird, das nach dem Ablösen von der beschichteten Elastomer-Folie zu einer Trägerrolle aufgewickelt wird. Dabei handelt es sich um ein diskontinuierliches Herstellungsverfahren, bei dem zunächst ein Folie-Folienträger-Verbund mit einer bestimmten Länge an Elastomer-Folie bereitgestellt wird, die dann zu Elastomer-Aktuatoren verarbeitet wird, wobei der Folienträger nach dem Ablösen der beschichteten Elastomer-Folie zu der Trägerrolle aufgewickelt wird, die dann beispielsweise für die nächste Herstellungscharge verwendet werden kann.
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Alternativ ist auch ein kontinuierliches Herstellungsverfahren denkbar, bei dem ein Folienträger in Form einer flexiblen Folienträgerschleife verwendet wird. Zweckmäßigerweise wird die Elastomer-Folie auf die Folienträgerschleife aufgebracht, auf die nach dem Ablösen von der beschichteten Elastomer-Folie erneut wenigstens eine Elastomer-Folie aufgebracht wird.
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Als Alternative zu einem flexiblen Folienträgerband beziehungsweise einer flexiblen Folienträgerschleife ist es auch möglich, dass als Folienträger wenigstens ein starrer, plattenförmiger oder gewölbter Körper verwendet wird. Es ist beispielsweise möglich, als Folienträger mehrere plattenförmige Körper zu verwenden, wobei jeweils benachbarte Folienträgerkörper durch Gelenke, beispielsweise in Form von Festkörpergelenken, beweglich miteinander verbunden sind, sodass insgesamt wiederum ein bewegliches Folienträgerband entsteht.
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Der Einsatz eines gewölbten Körpers ermöglicht einen sogenannten 3-D-Stackaufbau der Elastomer-Folien, wodurch komplexe Geometrien entstehen können.
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In besonders bevorzugter Weise wird als Material für den Folienträger Kunststoff verwendet. Alternativ wäre es jedoch auch möglich, als Folienträger-Material Papiermaterial, beispielsweise Pappe, einzusetzen. Auch mit diesem Papiermaterial wäre die Bildung eines Folienträgerbandes beziehungsweise einer Folienträgerschleife möglich. Ferner ist es möglich, als Folienträger Metallmaterial einzusetzen, beispielsweise dünne Blechplatten, die beispielsweise in zuvor beschriebener Weise über Gelenke gelenkig miteinander verbunden sein können.
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Das Aufbringen der wenigstens einen Elastomer-Folie auf den Folienträger erfolgt zweckmäßigerweise mittels Klebemitteln, beispielsweise Klebstoff, der ein Ablösen einer dann beschichteten Elastomer-Folie ermöglicht, die ihrerseits zu einer Multilayer-Struktur aufgebaut wird. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das Aufbringen wenigstens einer Elastomer-Folie durch reine Adhäsion ohne den Einsatz zusätzlicher Klebemittel durchzuführen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Transporteinrichtung zum Transport des Folie-Folienträger-Verbundes.
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Um diesen Verbund oder den Folienträger ohne Elastomer-Folie transportieren zu können, verfügt der Folienträger über Transportmittel, die beispielsweise im Falle eines Folienträgerbandes oder einer Folienträgerschleife durch eine Vielzahl in Transportrichtung hintereinander angeordneter Transportlöcher, beispielsweise Transportperforationen, gebildet sein können.
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Besonders zweckmäßig ist es, dass der Folienträger eine rahmenartige Stegstruktur aufweist, mit zwei Längsstegen, die über eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Querstegen miteinander verbunden sind, wodurch mehrere in Längsrichtung des Folienträgers hintereinander angeordnete Fenster gebildet sind, über die eine aufgebrachte Elastomer-Folie zur Bearbeitung zugänglich ist.
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Die Transportmittel können beispielsweise in Form von Transportlöchern, insbesondere Transportperforationen, an den Längsstegen dieser rahmenartigen Stegstruktur ausgebildet sein, sodass sich ein Folienträger in Form eines Folienträgerbandes oder in Form einer Folienträgerschleife nach Art einer Filmrolle transportieren beziehungsweise fördern lässt.
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In besonders bevorzugter Weise umfasst die Vorrichtung eine Prozessierungs-Plattform, der die Laminierstation, die Kontaktierungsstation und die Vereinzelungsstation zugeordnet sind. Zweckmäßigerweise ist die Prozessierungs-Plattform Bestandteil der Transporteinrichtung und ist einen Transport des Folienträgers beziehungsweise des Folie-Folienträger-Verbundes bewirkend angetrieben. Alternativ ist es möglich, dass die Prozessierungs-Plattform nicht angetrieben ist, beispielsweise einen starren Prozesstisch umfasst, und der Folienträger beziehungsweise der Folie-Folienträger-Verbund durch einen rotierenden Arm den einzelnen dem Prozesstisch zugeordnet Bearbeitungsstationen, zugeführt werden.
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In besonders bevorzugter Weise sind an der Prozessierungs-Plattform zu den Transportmitteln am Folienträger korrespondierende Transportelemente ausgebildet, die für eine Transportmitnahme des Folienträgers sorgen. Hier können beispielsweise Transportelemente in Form von in zugeordnete Transportlöcher am Folienträger eintauchende Transportpins vorgesehen sein.
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In besonders bevorzugter Weise weist die Prozessierungs-Plattform einen rotatorisch angetriebenen Transportrotor auf, an dessen Mantelfläche der Folienträger über die Transportelemente gelagert und bei der Rotation des Transportrotors mitnehmbar ist. In besonders bevorzugter Weise sind der Mantelfläche des Transportrotors die Kontaktierungsstation und die Vereinzelungsstation beziehungsweise gegebenenfalls weitere Bearbeitungsstationen zugeordnet.
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Zweckmäßigerweise weist der Transportrotor eine polygonförmige Kontur auf, wobei dessen Mantelfläche durch in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Seitenflächen gebildet ist. Bei der Drehbewegung beziehungsweise Rotation des Transportrotors ist der an der Mantelfläche angeordnete Folie-Folienträger-Verbund an den einzelnen Seitenflächen gehalten, wobei jede Seitenfläche nacheinander die einzelnen Bearbeitungsstationen durchläuft, in denen dann die einzelnen Bearbeitungsschritte bis zum fertig hergestellten Elastomer-Aktuator durchgeführt werden.
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Das Beschichten der Elastomer-Folie mit wenigstens einer Elektrodenschicht erfolgt, bevor oder nachdem die Elastomer-Folie auf den Folienträger aufgebracht wird. Es ist also beispielsweise möglich, den Folie-Folienträger-Verbund mit unbeschichteter Elastomer-Folie einer Beschichtungsstation zuzuführen, wo dann eine Beschichtung mit einer Elektrodenschicht erfolgt. Die Elektroden können beispielsweise auf die Elastomer-Folie aufgedruckt werden. Dazu können verschiedene Verfahren, wie Tintenstrahldruck, Aerosoljetdruck, Siebdruck, Offsetdruck oder dergleichen angewendet werden. Wichtig ist, dass das Elektroden-Material seine Leitfähigkeit auch bei Dehnung der Elektrode in ausreichendem Maße beibehält. Alternativ zum Aufdrucken der Elektroden können diese auch aufgesprüht werden, beispielsweise wäre es möglich, flexible CNT-Elektroden aufzusprühen.
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Es ist möglich, dass der Folienträger eines Folie-Folienträger-Verbundes abgelöst wird, bevor die beschichtete Elastomer-Folie mit einer beschichteten oder unbeschichteten Elastomer-Folie laminiert wird. Das Ablösen des Folienträgers kann beispielsweise nach einem Umlauf des Transportrotors erfolgen, wobei dann der abgelöste Folienträger wieder aufgewickelt wird oder in Form einer Endlosschleife für das Aufbringen einer neuen Elastomer-Folie bereitsteht.
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In der Laminierstation wird eine beschichtete Elastomer-Folie mit einer mittels eines Folienträgers zugeführten beschichteten oder ungeschichteten Elastomer-Folie laminiert, wodurch durch mehrfache Wiederholung des Laminiervorgangs eine Multilayer-Struktur bestehend aus einer Vielzahl von aufeinanderliegenden beschichteten Elastomer-Folien entsteht.
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Besonders bevorzugt wird beim Aufbau der Multilayer-Struktur die passgenaue Lage der beschichteten Elastomer-Folien übereinander kontrolliert. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise eine Kontrollstation aufweisen. Die Kontrollstation kann beispielsweise ebenfalls der mit dem Folie-Folienträger-Verbund bestückten Mantelfläche des Transportrotors zugeordnet sein. Die Lagekontrolle kann beispielsweise mittels optischer oder elektrischer Kontrollmittel, beispielsweise Sensoren, erfolgen. Da die Dimension der aufgebrachten Elektroden relativ klein und auch die Foliendicke sehr dünn ist, ist es für die weitere Verarbeitung des Multilayer-Stacks von Vorteil, eine Lagekontrolle durchzuführen, sodass die anschließenden Bearbeitungsschritte, wie Durchkontaktierung und Vereinzelung, zuverlässig und mit optimalen Ergebnissen durchgeführt werden können.
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Besonders bevorzugt sind daher Justiermittel zur Justierung der beschichteten Elastomer-Folie beim Übereinanderstapeln in eine passgenaue Lage vorgesehen.
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Es ist auch möglich, dass der elektrische Widerstand der einzelnen auf den Elastomer-Folien aufgebrachten Elektrodenschichten kontrolliert wird. Dies erfolgt zweckmäßigerweise ebenfalls in der Kontrollstation mittels elektrischer Kontrollmittel, beispielsweise Sensoren. Darüber hinaus ist es auch möglich, weitere Parameter zu kontrollieren, beispielsweise die Foliendicke, um Toleranzen der Foliendicke erkennen zu können.
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Die Multilayer-Struktur beziehungsweise der Multilayer-Stack wird mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktierungsmaterial durchkontaktiert. Hierzu weist die Vorrichtung eine Kontaktierungsstation auf.
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Es ist möglich, dass die Durchkontaktierung der Multilayer-Struktur schrittweise erfolgt, wobei zunächst wenigstens zwei Kontaktstellen mit elektrisch leitfähigem Kontaktierungsmittel geschaffen werden, auf die dann auf eine beschichtete und mit den Kontaktstellen korrespondierenden Kontaktlöchern versehene beschichtete Elastomer-Folie aufgezogen wird, wobei die Schritte Schaffung von Kontaktstellen und Aufziehen einer beschichteten Elastomer-Folie in Abhängigkeit der Anzahl der zu einem Stack beziehungsweise Stapel aufzubauenden Elastomer-Folien wiederholt werden.
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Alternativ ist es möglich, dass die Durchkontaktierung an der fertig aufgebauten Multilayer-Struktur durchgeführt wird, wobei die Multilayer-Struktur an wenigstens zwei Stellen durchgelocht wird, wodurch Kontaktierungskanäle entstehen, die dann mit Kontaktierungsmittel aufgefüllt werden. Als Kontaktierungsmittel kann beispielsweise elektrisch leitfähige Tinte eingesetzt werden. Das luftblasenfreie Befüllen der Kontaktierungskanäle kann hierbei über ein Ansaugen des Kontaktierungsmittels in die Kontaktierungskanäle hinein mittels Vakuum erfolgen.
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Es ist möglich, dass die Multilayer-Struktur auf einem Grundträger, beispielsweise einer Leiterplatte, beispielsweise HDI-Leiterplatte, aufgebaut wird.
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Ferner ist es möglich, dass die Oberseite der Multilayer-Struktur durch eine Passivierungsschicht passiviert wird. Bei der Passivierungsschicht kann es sich beispielsweise um eine unbeschichtete Elastomer-Folie handeln.
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Der letzte Bearbeitungsschritt ist das Vereinzeln der durchkontaktierten Multilayer-Struktur zu Elastomer-Aktuatoren. Hierzu kann die Vorrichtung eine Vereinzelungsstation aufweisen. Es ist möglich, dass jede Elastomer-Folie der Multilayer-Struktur bereits vorperforiert ist. Die Perforation kann beispielsweise bereits an der Roh-Elastomer-Folie, die dann zunächst noch auf den Folienträger aufzubringen ist, durchgeführt sein oder in einer zusätzlichen Perforationsstation der Vorrichtung. Die Vorperforierung der Multilayer-Struktur vereinfacht das Vereinzeln des Stacks zu Elastomer-Aktuatoren.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise bevorzugte Ausführungsvarianten des Herstellungsverfahrens sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Herstellung eines Folie-Folienträger-Verbundes aus einer Elastomer-Folie und einem Folienträger,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 eine vergrößerte Darstellung des Transportrotors der Vorrichtung aus 2 oder 3,
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5 eine schematische Darstellung des Transportrotors von 2 oder 3 mit Justiermitteln zur Lageausrichtung übereinandergestapelten Elastomer-Folien,
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6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante zur Lageausrichtung.
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7 eine schematische Darstellung eines fertig hergestellten Elastomer-Aktuators,
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8 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit A aus 7,
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9 eine schematische Darstellung der Durchkontaktierung des Elastomer-Aktuators aus 7 und
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10 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Transportrotors mit Justiermitteln zur Justierung der Folienlagen.
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Die 2 und 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren 12.
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Die Vorrichtung 11 umfasst einen Folienträger 13 in Form eines Folienträgerbandes, das auch noch einmal in 1 dargestellt ist.
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Auf das Folienträgerband ist wenigstens eine Elastomer-Folie 14 aufbringbar, wodurch ein Folie-Folienträger-Verbund 15 entsteht. Der Folie-Folienträger-Verbund 15 ist, wie in 2 dargestellt, zu einer Verbundrolle 16 aufgewickelt beziehungsweise aufgerollt.
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Der Folienträger besteht aus Kunststoffmaterial und besitzt eine rahmenartige Stegstruktur 17, die zwei Längsstege 18a, 18b aufweist, die über eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Querstegen 19 miteinander verbunden sind. Zwischen jeweils benachbarten Querstegen 19 und den zugeordneten Längsstegabschnitten entstehen in Transportrichtung 20 hintereinanderliegende Fenster 21, über die die mit dem Folienträger 13 verbundene Elastomer-Folie 14 zur Bearbeitung zugänglich ist.
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Der Folienträger 13 beziehungsweise das Folienträgerband verfügt ferner über Transportmittel in Form von Transportperforationen 22, die im Beispielsfall an den beiden Längsstegen 18a, 18b in Transportrichtung hintereinander angeordnet sind.
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Wie ebenfalls in 2 dargestellt, wird das Folienträgerband nach dem Ablösen einer beschichteten Elastomer-Folie 14 zu einer Folienträgerrolle 23 aufgewickelt, die dann bei der nächsten Charge zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren 12 wieder einsetzbar ist.
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Die Vorrichtung 11 umfasst eine Transporteinrichtung 24, mit deren Hilfe der Folie-Folienträger-Verbund 15 transportierbar beziehungsweise förderbar ist, wodurch nachfolgend noch näher beschriebene Bearbeitungsschritte in diversen Bearbeitungsstationen durchgeführt werden können. Zur Transporteinrichtung 24 gehören beispielsweise zwei Leitrollen 25a, 25b, an denen der Folie-Folienträger-Verbund 15 beziehungsweise der Folienträger 13 nach dem Ablösen beschichteter Elastomer-Folien 14 vorbeiführbar ist.
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Die Vorrichtung 11 umfasst ferner eine Prozessierungs-Plattform 26, die Bestandteil der Transporteinrichtung 24 ist. Wie insbesondere in den 2 und 4 dargestellt, weist die Prozessierungs-Plattform 26 einen rotatorisch angetriebenen Transportrotor 27 auf, der in 4 näher dargestellt ist. Der Transportrotor 27 besitzt eine polygonförmige Kontur und ist beispielsweise als Sechseck ausgebildet, wobei selbstverständlich in Abhängigkeit der einzelnen Bearbeitungsstationen die Anzahl der Ecken beliebig erhöht werden kann. Der Transportrotor 27 besitzt eine Mantelfläche 28, die sich durch in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Seitenflächen 29 zusammensetzt.
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Wie insbesondere in 4 dargestellt, besitzt der Transportrotor 27 an den Seitenflächen 29 jeweils in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Transportelemente in Form von Transportpins 30, die, wie in 2 dargestellt, die Transportperforationen 22 des Folienträgerbandes durchgreifen, wodurch eine Mitnahme des Folienträgerbandes 13 beziehungsweise des Folie-Folienträger-Verbundes 15 bei der Rotation des Transportrotors 27 erfolgt. Die Seitenflächen 29 des Transportrotors 27 können beispielsweise mit einem Grundträger, beispielsweise einer Leiterplatte, bestückt sein, wodurch die Elastomer-Aktuatoren bereits auf dem nachher vorgesehenen Grundträger, beispielsweise Leiterplatte, aufgebaut werden.
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Wie insbesondere in 4 dargestellt, befinden sich in Umfangsrichtung der in Reihe hintereinander angeordneten Transportpins 30 zwei leistenförmige, in Umfangsrichtung sich erstreckende und vom Rest der Seitenfläche 29 erhabene Transportleisten 31a, 31b, von denen eine erste Transportleiste 31a am oberen und die andere Transportleiste 31b am unteren Ende der zugeordneten Seitenfläche 29 ausgebildet ist. Die Transportpins 30 stehen von den jeweils zugeordneten Transportleisten 31a, 31b nach radial außen ab. Die Transportpins 30 können beispielsweise eine kegel- oder kegelstumpfförmige Gestalt aufweisen.
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Wie insbesondere in 2 dargestellt, liegt das Folienträgerband 13 mit seinen beiden Längsstegen 18a, 18b auf den Oberseiten der Transportleisten 31a, 31b, wobei die Transportpins 30 durch die jeweils zugeordneten Transportlöcher beziehungsweise Transportperforationen 22 an den Längsstegen 18a, 18b hindurchragen. Die wenigstens eine Elastomer-Folie 14 befindet sich in Richtung nach radial innen hinter dem Folienträgerband. Die Multilayer-Struktur wird also in dem Zwischenraum aufgebaut, der ober- und unterseitig durch die beiden Transportleisten 31a, 31b, an der Vorderseite durch das Folienträgerband und an der Rückseite durch die Seitenfläche beziehungsweise einen dort angeordneten Grundträger, die Leiterplatte, begrenzt ist.
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Der Schichtaufbau ist auch noch einmal in 5 zu erkennen.
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Wie insbesondere in 4 dargestellt, sind an der Oberseite der Transportleisten 31a, 31b Düsenöffnungen 32 von Vakuumdüsen ausgebildet, die das Folienträgerband 13 an den Transportleisten 31a, 31b fixieren. Im Beispielsfall sind dabei jedem Transportpin 30 zwei Düsenöffnungen 32 zugeordnet, die den jeweiligen Transportpin 30 links und rechts flankieren. Diese Anordnung ist selbstverständlich rein beispielhaft, es sind auch ganz andere Düsenanordnungen möglich.
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An den Transportleisten 31a, 31b befinden sich jeweils an den im Wesentlichen senkrecht zu den Oberseiten verlaufenden schmalen Seitenflächen 33 weitere Düsenöffnungen 34, die in den Zwischenraum zwischen den beiden Transportleisten 31a, 31b ausmünden und für die Fixierung der Elastomer-Folie 14 beziehungsweise der Multilayer-Struktur auf der Unterlage, also der Seitenfläche 29 beziehungsweise einem Grundträger, sorgen.
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Für den Stapelprozess muss das Folienträgerband entsprechend der Umdrehung des Transportrotors 27 angehoben werden. Um dies zu verwirklichen, sind die Transportleisten 31a, 31b linear beweglich am Transportrotor 27 gelagert und können nach radial außen ausgefahren werden.
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Die Vorrichtung 11 umfasst ferner Justiermittel zur Justierung der beschichteten Elastomer-Folien beim Übereinanderstapeln in eine passgenaue Lage. Würde man ohne Justiermittel Elastomer-Folien 14 aufeinanderstapeln, so würde sich der laterale Abstand der Elastomer-Folien 14 und insbesondere der Elektroden mit jeder Folienlage verschieben, da der Umfang des Folienträgerbandes mit der Stapelhöhe zunimmt. Eine Lösung hierzu ist in den 5 und 10 schematisch dargestellt. Die Justiermittel umfassen an den Ecken des Transportrotors 27 eingeformte Einbuchtungen 35, in die das Folienträgerband zu Beginn des Stapelprozesses eindrückbar ist. Das Maß des Eindrückens nimmt mit der Anzahl abgelegter Folienschichten ab. Die Justiermittel umfassen ferner jeweils den Einbuchtungen 35 zugeordnete Eindrück-Rollen 36, die in radialer Richtung beweglich gelagert sind und mit denen das Folienträgerband in die zugeordneten Einbuchtungen 35 hineingedrückt werden kann. Die Eindrück-Rollen 36 fixieren dabei auch das Folienträgerband in den Einbuchtungen 35 derart, dass es nicht in unerwünschter Weise wieder aus der Einbuchtung 35 herausgelangt. Mit zunehmender Stapelhöhe werden die Eindrück-Rollen 36 nach radial außen verlagert, sodass das Folienträgerband nun gewünscht aus den Einbuchtungen herausgelangen kann.
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Ferner umfassen die Justiermittel Justage-Stifte 37, die im Transportrotor 27 radial beweglich gelagert sind und aus den Seitenflächen 29 des Transportrotors 27 herausragen. Die Justage-Stifte 37 erstrecken sich durch den Folienstapel und das Folienträgerband hindurch und sorgen für eine lagegenaue Fixierung in Umfangsrichtung, um somit einen Versatz zwischen den einzelnen Folienlagen, der möglicherweise trotz Eindrück-Rolle 36 erfolgen könnte, zu verhindern.
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Eine weitere Möglichkeit, auf den Kantenversatz mit steigender Schichtanzahl beziehungsweise Foliendicke zu agieren, besteht darin, die Abstände zwischen den Perforationen, die den nachfolgenden Vereinzelungsschritt und die zu vereinzelnde Kontur des Elastomer-Aktuators vorgeben, von Schicht zu Schicht beziehungsweise von Folienlage zu Folienlage zu erhöhen. Bei der untersten Folienlage haben die einzelnen Perforationsfelder, die in Längsrichtung des Folienbandes hintereinander angeordnet sind, einen relativ geringen Abstand, während sich bei den darüber angeordneten Folienlagen dieser Abstand erhöht. Es gilt dabei an(d) < an+1(d), wobei a den Abstand der Perforationsfelder zueinander, d die Schichtanzahl und n die Nummer der Schicht angeben.
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Wie insbesondere in den 2, 4 und 5 gezeigt, hat der Transportrotor 27 die Gestalt eines Mehrecks, insbesondere Sechsecks. Die Drehbewegung des Transportrotors 27 transportiert und fördert den Folie-Folienträger-Verbund 15, wodurch bei mehrmaliger Umdrehung eine Multilayer-Struktur beziehungsweise ein Multilayer-Stack aus einer Vielzahl von aufeinanderliegenden Elastomer-Folien 14 gebildet wird. Jede Folienlage durchläuft bei der Rotation des Transportrotors 27 verschiedene Bearbeitungsstationen.
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Dabei sind den Seitenflächen 29 des Transportrotors 27 jeweils insbesondere voneinander verschiedenen Bearbeitungsstationen zugeordnet, mit deren Hilfe und unter Einwirkung der Rotationsbewegung des Transportrotors 27 nach und nach eine Multilayer-Struktur aus einer Vielzahl von aufeinanderliegenden Elastomer-Folien 14 aufgebaut wird, die schließlich zu einzelnen Elastomer-Aktuatoren 12 vereinzelt werden.
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Die Vorrichtung 11 weist hierzu zunächst eine Kontrollstation 38 auf, die über Kontrollmittel (nicht dargestellt) zur Kontrolle der Lage der beschichteten Elastomer-Folien 14 übereinander verfügt. Die Kontrollmittel können beispielsweise optische oder elektrische Sensoren umfassen. Es wäre auch eine Bilderkennung mittels einer Kamera denkbar, durch die die Lageausrichtung der übereinandergeschichteten Elastomer-Folien 14 ermittelt werden kann. Die Kontrolle der korrekten Lageausrichtung erfolgt im Bereich einer Seitenfläche des Transportrotors 27. Wird eine korrekte Lageausrichtung ermittelt, dreht der Transportrotor 27 weiter und der Abschnitt der Multilayer-Struktur, bei dem eine korrekte Lageausrichtung ermittelt wurde, gelangt in die nächste Bearbeitungsstation. Wird eine inkorrekte Lageausrichtung beziehungsweise ein Versatz der verschiedenen Folienlagen zueinander detektiert, wird nachjustiert. Dabei kann beispielsweise die Eindrück-Rolle 36 je nach Bedarf nach radial innen oder radial außen verlagert werden, wodurch das Folienträgerband und die oberste dort angebrachte Folie der Multilayer-Struktur in Umfangsrichtung verschoben werden können, bis eine korrekte Lageausrichtung mit den darunter angeordneten Folienlagen vorhanden ist.
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Die Kontrollstation 38 umfasst ferner Kontrollmittel zur Kontrolle des elektrischen Widerstands der aufgebrachten Elektrodenschicht 41. Hierzu können beispielsweise ebenfalls elektrische Sensoren eingesetzt werden.
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Bei der Drehbewegung des Transportrotors 27 in Uhrzeiger-Richtung schließt sich an die Kontrollstation 38 eine Laminierstation 39 an, in der in nachfolgend noch beschriebener Weise die beschichtete Elastomer-Folie 14 mit einer mittels des Folienträgerbandes zugeführten beschichteten oder unbeschichteten Elastomer-Folie 14 laminiert wird, wodurch bei mehrmaligem Wiederholen eine Multilayer-Struktur beziehungsweise ein Multilayer-Stack aus einer Vielzahl von aufeinanderliegenden beschichteten Elastomer-Folien 14 aufgebaut wird.
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Die in Drehrichtung des Transportrotors 27 nächste Station der Vorrichtung 11 ist eine Kontaktierungsstation 40 zur Durchkontaktierung der Multilayer-Struktur mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktierungsmaterial.
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Der Kontaktierungsstation 40 folgt in Drehrichtung des Transportrotors 27 eine Vereinzelungsstation 41 zur Vereinzelung der durchkontaktierten Multilayer-Struktur zu Elastomer-Aktuatoren 12.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren 12 läuft folgendermaßen ab:
Wie insbesondere in 1 dargestellt, wird zunächst ein Folienträger 13 in Form eines Folienträgerbandes bereitgestellt. Das Folienträgerband kann beispielsweise in Folienträger-Rollen bereitgestellt werden. Als erster Verfahrensschritt wird eine Elastomer-Folie 14 auf das Folienträgerband aufgebracht. Liegt der Folienträger 13 in einer Folienträger-Rolle vor, so wird die Rolle abgerollt, sodass das Aufbringen der Elastomer-Folie an einem flach ausgerollten Abschnitt erfolgen kann. Die Elastomer-Folie 14 kann bereits eine Elektrodenschicht 41 aufweisen, wobei die Elektrodenschicht 41 bereits in einzelne Elektroden 42 unterteilt ist.
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Alternativ ist es möglich, zunächst die Elastomer-Folie 14 auf das Folienträgerband aufzubringen und danach den dadurch entstandenen Folie-Folienträger-Verbund 15 mit einer Elektrodenschicht 41, gruppiert in einzelne Elektroden 42, zu beschichten.
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Das Aufbringen der Elastomer-Folie auf das Folienträgerband erfolgt zweckmäßigerweise mit Hilfe von Klebemitteln, beispielsweise einem Klebstoff. Der Folie-Folienträger-Verbund 15 ist derart miteinander verbunden, dass die Elastomer-Folie 14 nach dem Durchlaufen verschiedener Bearbeitungsschritte wieder in einfacher Weise von dem Folienträgerband abgelöst werden kann.
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Wie insbesondere in 1 dargestellt, besitzt das Folienträgerband eine rahmenartige Stegstruktur 17, wobei zwischen benachbarten Querstegen 19 und in Längsrichtung zwischen den Querstegen 19 verlaufenden Längsstegabschnitten in Längenrichtung des Folienträgerbandes hintereinanderliegende Fenster 21 bilden, durch die hindurch ein Bearbeitungszugang zu der aufgebrachten Elastomer-Folie möglich ist.
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Das Beschichten der Elastomer-Folie mit einer Elektrodenschicht 41 erfolgt beispielsweise durch Aufdrucken der einzelnen Elektroden, beispielsweise im Siebdruck, Offset-Druck oder dergleichen. Wie insbesondere in 1 dargestellt, bilden die Fenster 21, hinter denen die Elastomer-Folie 14 mit den bedruckten Elektroden 42 angeordnet ist, einzelne Bearbeitungsfelder 43.
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Nach dem Aufbringen der mit Elektroden 42 bedruckten Elastomer-Folie auf das Folienträgerband oder dem Aufbringen einer unbedruckten Elastomer-Folie auf das Folienträgerband mit anschließendem Aufdrucken der Elektroden entsteht ein Folie-Folienträger-Verbund 15, der zu einer Verbundrolle 16 aufgewickelt wird. Diese Verbundrolle 16 bildet eine Charge bei der Herstellung der Elastomer-Aktuatoren in einem diskontinuierlichen Verfahren, wie es in der 2 dargestellt ist.
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Dabei wird die aufgerollte Verbundrolle 16 auf eine Wickelspule (nicht dargestellt) gelagert und dann anschließend durch die Rotation des Transportrotors 27 abgewickelt. Der Transport des Folie-Folienträger-Verbundes 15 erfolgt durch die bereits vorstehend beschriebenen Transportpins 30 an den Seitenflächen des Transportrotors, die mit den Transportperforationen 22 an den Längsstegen 18a, 18b des Folienträgerbandes zusammenwirken. Der Folie-Folienträger-Verbund 15 gelangt dann zunächst in eine Kontrollstation 38, die einer Seitenfläche 29 des Transportrotors 27 zugeordnet ist.
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Wie insbesondere in 2 dargestellt, kann die Länge einer Seitenfläche 29 genau einem Bearbeitungsfeld 43 entsprechen, wodurch an der Kontrollstation 38 das Bearbeitungsfeld 43 kontrolliert wird. Beim ersten Umlauf ist die Kontrolle einer Lageausrichtung noch nicht notwendig. In der Kontrollstation wird jedoch der elektrische Widerstand der Elektroden 42 mittels eines geeigneten Kontrollmittels, beispielsweise eines elektrischen Sensors, kontrolliert.
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Als Nächstes wird der Transportrotor 27 in Uhrzeiger-Richtung in Drehung versetzt, wodurch das zuvor kontrollierte Bearbeitungsfeld 43 in die nächste Bearbeitungsstation gelangt.
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Die nächste Bearbeitungsstation ist eine Laminierstation 39. In der Laminierstation 39 werden beschichtete Elastomer-Folien 14 mit einer mittels Folienträger 13 zugeführten beschichteten oder unbeschichteten Elastomer-Folie 14 beschichtet. Die Laminierstation 39 ist ebenfalls im ersten Umlauf inaktiv.
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Anschließend gelangt das Bearbeitungsfeld 43 in eine Kontaktierungsstation 40, in der eine Durchkontaktierung der Multilayer-Struktur mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktierungsmaterial stattfindet. Es ist möglich, dass jede Elektrode 42 innerhalb des Bearbeitungsfeldes 43 an mindestens zwei Stellen durchlocht wird oder bereits durchlocht ist und in diese Löcher elektrisch leitfähiges Kontaktierungsmittel in Form einer leitfähigen Tinte eingefüllt wird. Dabei ist zu beachten, dass die Elektrode auf der Elastomer-Folie an einem oder mehreren Löchern mit der leitfähigen Tinte in Kontakt steht, während wenigstens ein anderes Loch, das mit leitfähiger Tinte angefüllt ist, mit dieser Elektrode 42 nicht in Kontakt ist.
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Beim Weiterdrehen des Transportrotors 27 kommt das Bearbeitungsfeld 43 in eine Vereinzelungsstation 45, in der die durchkontaktierte Multilayer-Struktur zu einzelnen Elastomer-Aktuatoren 12 vereinzelt wird. Die Vereinzelungsstation 45 ist ebenfalls im ersten Umlauf des Transportrotors 27 inaktiv.
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Nach der Vereinzelungsstation 45 wird das Folienträgerband von der beschichteten Elastomer-Folie 14 abgelöst und auf eine Folienträger-Rolle 23 aufgewickelt. Die beschichtete Elastomer-Folie 14 bleibt jedoch am Transportrotor 27 und durchläuft einen zweiten Umlauf. Dabei kommt sie in der Kontrollstation 38 mit einer Elastomer-Folie 14, die auf dem Folienträgerband antransportiert wird, in Kontakt. Die Elastomer-Folie 14, die sich auf dem Folienträgerband befindet, wird auf der bereits beschichteten und vom Folienträgerband befreiten Elastomer-Folie 14, also auf der ersten Folienlage, aufgebracht. In der Kontrollstation 38 wird nun die Lageausrichtung der Bearbeitungsfelder der ersten und der zweiten Folienlage kontrolliert. Die Elektroden 42 der ersten Folienlage müssen exakt über den Elektroden 42 der zweiten Folienlage liegen. Sollte dies nicht der Fall sein, wird die Lage über die Justiermittel nachjustiert. Hierzu kann beispielsweise die Eindrück-Rolle 36 nach radial innen oder außen bewegt werden, was zu einer relativen Verschiebung der beiden Bearbeitungsfelder in Umfangsrichtung führt. In der Kontrollstation 38 wird ebenfalls der elektrische Widerstand der zweiten Folienlage kontrolliert.
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Beim Weiterdrehen des Transportrotors 27 kommen die beiden übereinandergestapelten Bearbeitungsfelder 43 der ersten Folienlage und der zweiten Folienlage in die Laminierstation 39 und werden dort ebenfalls unter Zuhilfenahme von Druck und Temperatur dauerhaft aufeinander laminiert beziehungsweise zusammengefügt.
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Beim Weiterdrehen des Transportrotors 27 kommen die beiden aufeinanderlaminierten Bearbeitungsfelder 43 in die Kontaktierungsstation 40, wo wiederum in die oberste, zweite Folienlage Kontaktierungslöcher eingebracht werden. Diese Kontaktierungslöcher werden wiederum mit leitfähiger Tinte gefüllt. Dabei ist zu beachten, dass die Elektrode 42 der zweiten Folienlage spiegelverkehrt zur Elektrode 42 der ersten Folienlage angeordnet ist. Das heißt, die leitfähige Tinte, die in den Kontaktierungslöchern der ersten Folienlage nicht mit der Elektrode in Verbindung stand, steht jetzt beim Einfüllen in die Kontaktierungslöcher der zweiten Folienlage mit der Elektrode der zweiten Folienlage in Kontakt.
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Die durchkontaktierte Multilayer-Struktur aus zwei aufeinanderlaminierten Elastomer-Folien durchläuft anschließend die Vereinzelungsstation 45, die so lange inaktiv ist, bis die endgültige Höhe der Multilayer-Struktur erreicht ist.
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Anschließend wird das Folienträgerband von der obersten, zweiten Folienlage abgelöst und weiter auf die Folienträger-Rolle 23 aufgewickelt. Beim dritten Umlauf des Transportrotors 27 kommt nun zunächst eine durch das Folienträgerband herantransportierte dritte Elastomer-Folie 14 hinzu, die auf die bereits fertig bearbeiteten anderen beiden Folienlagen aufgebracht wird. Anschließend durchlaufen die entsprechenden Bearbeitungsfelder der ersten, zweiten und dritten Folienlage, also der dadurch entstandenen Multilayer-Struktur, nacheinander die Laminierstation 39, die Kontaktierungsstation 40 und die Vereinzelungsstation 45. Hier erfolgen die bereits zuvor beschriebenen Bearbeitungsvorgänge.
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Ist die Endhöhe des Folienstapels erreicht, so wird die Vereinzelungsstation 45 aktiv. Nach dem Erreichen der Endhöhe des Folienstapels an Elastomer-Folien 14 ist es möglich, eine in den 7 bis 9 gesagte Variante der Durchkontaktierung der Multilayer-Struktur durchzuführen. Die Kontaktierungsstation 40 bleibt solange inaktiv bis die Endhöhe des Stacks aufgebaut ist. Dann werden die Stapel an vier Kontaktierungsstellen, die ungefähr an den Ecken des quaderförmigen Stapels liegen durchgelocht. Es ist alternativ möglich, dass jede Lage bereits an den vier Kontaktierungsstellen gelocht ist. Es entstehen an den vier Kontaktierungsstellen jeweils in Höhenrichtung durch den gesamten Stapel verlaufende Kontaktierungskanäle 50a, 50b von denen in 8 einer beispielhaft dargestellt ist. In den Kontaktierungskanälen 50 wird jeweils, wie beispielhaft in 9 dargestellt, Kontaktierungsmittel in Form von elektrisch leitfähiger Tinte 51 eingefüllt. In Höhenrichtung des Stapels benachbarte Elektroden 42 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Dabei werden durch die ersten Kontaktierungskanäle 50a die oberste, dritte, fünfte usw. Elektrode 42 durchlocht und beim Einfüllen der Leittinte kontaktiert, während durch die zweiten Kontaktierungskanäle 50b die zweite, vierte, sechste usw. 42 Elektrode durchlocht und beim Einfüllen der Leittinte kontaktiert werden. Somit können an jeweils benachbarte Elektroden 42 unterschiedliche Potentiale angelegt werden.
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Beim Vereinzeln können aus dem entsprechenden Bearbeitungsfeld 43 durch einen Schneide- oder Stanzvorgang mit entsprechenden Werkzeugen einzelne Elastomer-Aktuatoren 12 herausgetrennt werden. Zweckmäßigerweise sind die Bearbeitungsfelder 43 jeweils in der Größe der später entstehenden Elastomer-Aktuatoren vorperforiert, wodurch der Vereinzelungsvorgang erleichtert werden kann.
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Vor dem Vereinzelungsvorgang ist es möglich, die oberste Schicht des Folienstapels beziehungsweise der Multilayer-Struktur durch eine Passivierungsschicht zu passivieren, die zweckmäßigerweise durch eine unbeschichtete Elastomer-Folie gebildet wird.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor vorbeschriebenen ersten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass das Verfahren kontinuierlich mit Hilfe einer Endlos-Folienträgerschleife durchgeführt wird.
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Bei diesem Verfahren wird der von der beschichteten Elastomer-Folie 14 beziehungsweise dem beschichteten Multilayer-Stack abgelöste Abschnitt der Folienträgerschleife an einer weiteren nicht dargestellten Bearbeitungsstation mit einer beschichteten oder unbeschichteten Elastomer-Folie versehen, die dann wieder dem Transportrotor 27 und den diesem zugeordneten Bearbeitungsstationen zugeführt wird, wo vorstehend bereits beschriebene Bearbeitungsvorgänge durchgeführt werden.
