ITTO20080180A1 - Procedimento ed apparecchiatura per la fabbricazione di attuatori polimerici multistrato adatti alla realizzazione di un muscolo artificiale. - Google Patents

Description

"Procedimento ed apparecchiatura per la fabbricazione di attuatori polimerici multistrato adatti alla realizzazione di un muscolo artificiale"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale agli attuatori polimerici multistrato, del tipo utilizzato per la realizzazione di muscoli artificiali .

Come è noto, i polimeri elettroattivi (EAP) sono polimeri in grado di rispondere a stimoli elettrici, modificando la propria forma quando una tensione esterna è applicata ad essi [1][2]. Per questo motivo, gli EAP sono spesso anche chiamati "muscoli artificiali", dal momento che, anche se non condividono lo stesso principio operativo dei muscoli biologici, la loro risposta funzionale è simile, e presentano caratteristiche di sollecitazione e deformazione vicine alle capacità dei muscoli dei mammiferi. Queste caratteristiche peculiari degli EAP li rendono estremamente interessanti nello studio di nuovi meccanismi di attuazione, e ci si attende che il loro continuo perfezionamento in termini di prestazioni ed affidabilità apra nuove prospettive in settori quali tecnologia protesica, robotica, telepresenza, riabilitazione, ecc.

Gli attuatori con dielettrico elastomerico (DEA) [3][4] rappresentano una classe di polimeri elettroattivi che hanno già dimostrato buone prestazioni ed offrono grandi potenziali per applicazioni di meccatronica e robotica, in particolare nel settore dei meccanismi biomimetici e della robotica umanoide. I DEA sono infatti superiori in termini di leggerezza ed efficienza energetica rispetto ai tradizionali attuatori elettromagnetici, e possiedono una morbidezza intrinseca che rende il loro uso vantaggioso quando si richiede un'interazione sicura e flessibile con l'ambiente circostante. Rispetto a molti altri EAP, gli attuatori con dielettrico elastomerico sono inoltre in grado di produrre elevate deformazioni e forze, e rispondono a stimoli elettrici applicati esternamente con rapidi cicli operativi.

Nella sua configurazione base, un attuatore con dielettrico elastomerico è un "capacitore di gomma", consistente di un film elastomerico (il dilettrico) con le due facce rivestite di elettrodi flessibili. Quanto si applica un'elevata differenza di potenziale ai due elettrodi, su un elettrodo si formano cariche positive e sull'altro cariche negative, generando una pressione elettrostatica attrattiva nota come stress di Maxwell (si veda la figura 1b). Tale sollecitazione è uguale alla permittività del dielettrico elastomerico moltiplicata per il quadrato del campo elettrico applicato. Tutti i materiali dielettrici manifestano l'effetto dello stress di Maxwell, ma se come mezzo dielettrico si usa un elastomero con basso modulo di Young ed elevata resistenza al breakdown, la pressione elettrostatica forza gli elettrodi ad avvicinarsi, schiacciando lo strato elastomerico dielettrico. Poiché il mezzo dielettrico è un materiale elastico ma incomprimibile, l'elastomero riduce il suo spessore ma espande la propria area sul piano perpendicolare alla pressione elettrostatica di Maxwell (si veda la figura 1a).

Tale configurazione di base, composta da un singolo strato di dielettrico elastomerico, è tipicamente usata in test di laboratorio per valutare le prestazioni dei materiali usati come dielettrico e come elettrodi flessibili [5][6][7]. Tuttavia, le applicazioni pratiche di meccatronica, che richiedono grosse quantità di deformazione e forza generate, necessitano di configurazioni differenti e più complesse rispetto a quella appena descritta. Per produrre un lavoro meccanico effettivo un attuatore con dielettrico elastomerico può essere sfruttato in due modi differenti: come unità contrattile, se la forza attrattiva fra gli elettrodi è direttamente usata per produrre lavoro, o come unità espansiva, se si sfrutta l'espansione areale dell'elettrodo. Tutte le possibili configurazioni in cui si usa un dielettrico elastomerico come attuatore impiegano uno di questi due principi operativi.

Un tipico attuatore contrattile può essere schematizzato come una pila di molti strati identici elettricamente collegati in parallelo, come illustrato in figura 2a. In questa figura, come nelle figure seguenti, gli strati di dielettrico sono indicati con 10, mentre i due elettrodi disposti sul le opposte facce degli strati di dielettrico sono indicati con 11 e 12. Quando si applica una tensione, la pila è compressa dall'attrazione elettrostatica generata da ciascuno strato, provocando complessivamente una contrazione. Per una pila multistrato, lo spostamento di deformazione contrattile dipende dall'altezza della pila, mentre la forza generata è proporzionale alla sezione assiale attiva coperta dagli elettrodi flessibili.

L'implementazione di tale principio operativo è stata in pratica realizzata in molti modi differenti, con differenti metodologie di fabbricazione ed attuatori con caratteristiche differenti. Alcuni esempi in grado di ottenere un movimento contrattile lineare sono costituiti da strutture ad elica [8], geometrie ripiegate [9], ed attuatori multistrato ottenuti per deposizione centrifuga [10] od assemblati [11].

Un dielettrico elastomerico può anche essere usato come dispositivo espansivo, se l'espansione areale dell'elettrodo è utilizzata per produrre lavoro meccanico (si veda la figura 2b). In questo caso, lo spostamento generato dall'attuatore dipende dalla dimensione areale degli elettrodi flessibili, mentre la forza generata dipende dallo spessore (area della sezione) dell'attuatore. Così, mentre per la configurazione contrattile per ottenere un maggior spostamento lungo l'asse principale è necessaria una pila multistrato, per la configurazione espansiva si devono impilare molti strati di dielettrico elastomerico per ottenere una maggior area di sezione ed una maggior forza di attuazione. Si noti che, a causa della morbidezza del materiale elastomerico il movimento di espansione prodotto da tale configurazione non può essere usato direttamente per spingere un carico. Per questo motivo, gli attuatori espansivi sono generalmente usati insieme con qualche tipo di meccanismo (tipicamente una molla od un carico esterno) che li mantiene in una condizione allungata e lavorano in modo opposto rispetto agli attuatori contrattili. In assenza di tensione, l'attuatore rimane nella posizione contratta. Invece, se si applica una tensione esterna, l'elastomero si espande fino a trovare una nuova posizione di equilibrio con la molla esterna, permettendo il movimento del carico. Il meccanismo di precarico adottato per DEA espansivi è utile anche perché l'allineamento delle catene polimeriche comporta un aumento della resistenza di breakdown, permettendo l'applicazione di un campo elettrico maggiore [4][12]. Come per la configurazione contrattile, anche tale configurazione può essere implementata in modi differenti e con differenti geometrie, quali attuatori a diamante [13], attuatori a cono [14], attuatori arrotolati a molla [15][16] e molti altri.

Esistono anche attuatori in cui il dielettrico comprende, al posto dell'elastomero, una schiuma di polimero. In questo caso, lo strato di dielettrico è una schiuma di polimero (silicone, poliuretano od altro) isolata su una od entrambe le facce da un sottile film dielettrico con alta resistenza al breakdown (per esempio PTFE, Kapton<®>, Mylar<®>, nastro adesivo VHB). Sulla superficie del film dielettrico viene poi depositato l'elettrodo. La struttura in sezione di uno strato di attuatore è mostrata in figura 3a ed è confrontata con quella di un attuatore con dielettrico elastomerico (figura 3b). Lo strato di schiuma è indicato con 10a, mentre gli strati di film dielettrico ad alta resistenza sono indicati con 10b.

La presenza dei film dielettrici con alta resistenza al breakdown è necessaria per prevenire una scarica di breakdown attraverso la schiuma, che ha una bassa resistenza. Quando viene applicata tensione ai due elettrodi dell'attuatore a schiuma, quest'ultima viene compressa dall'attrazione elettrostatica (pressione di Maxwell) che si genera tra i due elettrodi in maniera analoga a quello che avviene in un attuatore con dielettrico elastomerico. La differenza principale è che, mentre l'elastomero incomprimibile è vincolato a mantenere costante il proprio volume (e quindi la riduzione di spessore del materiale comporta un'uguale espansione in area), per una schiuma di polimero l'attuazione avviene con un cambiamento di volume (la riduzione di spessore non comporta, o comporta in minima parte, un'espansione in area dell'attuatore). La ridotta espansione areale della schiuma permette l'utilizzo di elettrodi realizzati in materiali rigidi (o comunque con elasticità ridotta), quali film metallici oppure polimeri rigidi conduttori (politiofene, polipirrolo, polianilina, poli -para-fenilene, ecc.) , Gli attuatori a schiuma sono utilizzati come attuatori contrattili.

Un problema legato al principio di azionamento degli attuatori polimerici macroscopici è l'elevata tensione richiesta, tipicamente dell'ordine dei kV, che impone una particolare attenzione nell'isolamento dell'intero attuatore rispetto all'ambiente circostante. Tale tensione di azionamento può essere ridotta drasticamente se si usa un film sottile di polimero dielettrico. Ad esempio, si consideri un campo elettrico di 15ν/μm, un tipico valore di azionamento per attuatori non precaricati. Tale campo elettrico comporta una tensione applicata di 9000V per uno strato di dielettrico spesso 0,6mm e 750V per un film dielettrico spesso 50μm. Tale semplice calcolo dimostra che è sicuramente preferibile avere un attuatore fatto di strati sottili di dielettrico.

Purtroppo, la fabbricazione di un attuatore macroscopico a pila, partendo da film sottili di polimero dielettrico, può presentare svariate difficoltà tecniche. La prima difficoltà è costituita dal maneggiamento e dall'assemblaggio dei film. Diversamente dai molti polimeri resistenti che sono comunemente utilizzati come film sottili nell'industria elettronica e tessile (come Kevlar, poliammidi, ecc.), i polimeri comunemente utilizzati per la fabbricazione di DEA ed attuatori a schiuma sono piuttosto fragili e possono essere facilmente rotti durante il maneggiamento, specialmente film con spessore minore di ΙΟΟμιτι. Ciò rende difficoltoso lo sviluppo di un processo di fabbricazione in cui si effettuano complesse manipolazioni meccaniche del film sottile, come nel caso degli attuatori ripiegati. Altre tecniche, come la deposizione controllata strato per strato mediante centrifugazione di prepolimeri reticolabili, possono presentare difficoltà differenti. Innanzitutto, la presenza di un piccolo difetto di fabbricazione in uno strato può causare errori cumulativi che possono compromettere la deposizione di tutti gli strati successivi, conducendo alla difettosità dell'intero attuatore. Inoltre, i processi di centrifugazione sono efficaci solo per un numero limitato di strati fabbricati, poiché con la crescita della pila l'uniformità dello strato fabbricato diventa difficile da controllare. In particolare la fabbricazione di pile uniformi di alcuni cm di lunghezza a partire da strati depositati di pochi micron può essere oltremodo difficoltosa e richiede macchine estremamente accurate. Infine, la natura discontinua di un attuatore composto da centinaia di strati di dielettrico depositato può complicare la realizzazione di contatti fra gli elettrodi, Tutte le considerazioni sopra esposte sono valide sia per pile multistrato utilizzate per produrre un movimento contrattile (l'impilamento è utilizzato per aumentare lo spostamento dell'attuatore) che per quelle utilizzate per un movimento espansivo {l'impilamento è utilizzato per aumentare la forza dell'attuatore).

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di rendere disponibile un procedimento per la fabbricazione di attuatori polimerici multistrato che eviti una manipolazione meccanica complessa dei film e quindi sollecitazioni potenzialmente dannose in questi ultimi.

Forma pertanto oggetto dell'invenzione un procedimento per la fabbricazione di un attuatore polimerico multistrato, comprendente le fasi seguenti :

predisporre un'anima di avvolgimento rotante attorno ad un proprio asse centrale,

arrotolare un film dielettrico di materiale polimerico attorno all'anima di avvolgimento,

durante 1'arrotolamento, applicare un materiale conduttivo sul lato esposto del film dielettrico, in cui detta applicazione avviene in modo intermittente secondo una sequenza prestabilita, e secondo un primo ed un secondo pattern geometrico di applicazione alternati fra loro ad ogni giro di avvolgimento, in modo tale da formare un rotolo comprendente almeno una zona circonferenzialmente localizzata formata da strati del film dielettrico radialmente alternati a strati del materiale conduttivo,

tagliare radialmente il rotolo alle estremità dì detta zona circonferenzialmente localizzata, in modo tale da poter estrarre una corrispondente pila formata dagli strati del film dielettrico alternati agli strati del materiale conduttivo, e

collegare in modo elettricamente conduttivo gli strati di materiale conduttivo aventi il primo pattern geometrico di applicazione fra loro e, separatamente da questi, gli strati di materiale conduttivo aventi il secondo pattern geometrico di applicazione fra loro.

Secondo il procedimento dell'invenzione gli strati di materiale conduttivo vengono depositati durante la stratificazione del dispositivo. Per risparmiare tempo di fabbricazione e materia prima, è possibile programmare la contemporanea fabbricazione di più pile multistrato, fissando la fabbricazione di ciascun attuatore in una differente posizione angolare del rotolo. Inoltre, le pile possono essere ulteriormente assemblate fra loro in modo da ottenere attuatori di differenti dimensioni e geometrie. In questo modo, il maneggiamento e l'assemblaggio di tali pile macroscopiche risulterà più semplice. Tale assemblaggio modulare permette anche un controllo di funzionalità su ciascun modulo prima dell'assemblaggio finale. Se un modulo risulta difettoso, esso può essere semplicemente scartato, invece di compromettere la funzionalità dell'intero attuatore assemblato.

Forme di attuazione preferite dell'invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Forma inoltre oggetto dell'invenzione un'apparecchiatura per la fabbricazione di un attuatore polimerico multistrato, comprendente

un anima di avvolgimento, in grado di ruotare attorno ad un proprio asse centrale, la quale è predisposta per arrotolare un film dielettrico di materiale polimerico;

un'unità motorizzata per azionare in rotazione detta anima di avvolgimento, detta unità motorizzata essendo inoltre provvista di mezzi misuratori angolari per tenere traccia della posizione angolare dell'anima di avvolgimento;

un'unità di spruzzatura per l'applicazione di un materiale conduttivo sulla faccia esposta del film dielettrico durante l'arrotolamento di quest'ultimo sull'anima di avvolgimento;

un'unità di mascheratura, interposta fra l'unità di spruzzatura e l'anima di avvolgimento, detta unità di mascheratura comprendendo una prima ed una seconda maschera intercambiabili in modo automatizzato; ed

un'unità di controllo, programmabile per coordinare l'unità motorizzata dell'anima di avvolgimento, l'unità di spruzzatura e l'unità di mascheratura in modo tale per cui detta applicazione avvenga in modo intermittente secondo una sequenza prestabilita, ed attraverso dette prima e seconda maschera alternate fra loro ad ogni giro di avvolgimento del film dielettrico.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno dalla descrizione che segue, con particolare riferimento ai disegni annessi, dati a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

le figure la ed lb sono rispettivamente una vista schematica ed un grafico che illustrano il principio di azionamento di un attuatore con dielettrico elastomerico a singolo strato;

le figure 2a e 2b sono viste schematiche che illustrato il principio di azionamento di un DEA multistrato, rispettivamente per un movimento contrattile e per un movimento espansivo;

le figure 3a e 3b sono viste schematiche che illustrano il principio di azionamento di un attuatore a singolo strato, rispettivamente per un attuatore a schiuma e per un attuatore con dielettrico elastomerico;

la figura 4 è una vista schematica complessiva, e le figure 5 e 6 sono viste schematiche di dettaglio, di un'apparecchiatura per attuare il procedimento secondo l'invenzione;

le figure 7a a 7c sono viste schematiche che illustrano alcune fasi di un procedimento secondo 1'invenzione ;

la figura 8 illustra la fabbricazione di otto attuatori contrattili a partire da un rotolo di materiale polimerico;

la figura 9 illustra l'assemblaggio di pile multistrato per formare attuatori polimerici di differenti geometrie;

la figura 10 illustra la fabbricazione di due attuatori espansivi a partire da un rotolo di materiale polimerico; e

la figura 11 è un grafico che rappresenta la deformazione laterale in funzione del tempo, per un DEA sottoposto a incrementi di tensione di intensità crescente.

Con riferimento alle figure 4 a 6, si descrive ora un procedimento per la fabbricazione di un attuatore polimerico multistrato secondo l'invenzione .

In particolare, in figura 4 è illustrata schematicamente un'apparecchiatura per l'attuazione di tale procedimento. Tale apparecchiatura comprende un anima di avvolgimento C, la quale è in grado di ruotare attorno ad un proprio asse centrale x, come indicato in figura 4.

L'anima di avvolgimento C è azionata in rotazione da un'unità motorizzata MU, la quale è inoltre provvista di mezzi misuratori angolari (non illustrati) , quali un encoder ottico, per tenere traccia della posizione angolare dell'anima di avvolgimento C.

L'apparecchiatura comprende inoltre un'unità di spruzzatura S, provvista di un ugello N orientato verso l'anima di avvolgimento C, e di un serbatoio T caricato con un materiale conduttivo, in particolare un pre-polimero elastomerico conduttivo.

L'apparecchiatura comprende poi un'unità di mascheratura M, interposta fra l'unità di spruzzatura S e l'anima di avvolgimento C. Tale unità di mascheratura M comprende due maschere Mi ed M2 intercambiabili, illustrate secondo una vista in pianta in figura 5. Tale unità di mascheratura M è realizzata in modo tale da permettere lo scambio automatizzato delle maschere MI ed M2. Ad esempio, l'unità di mascheratura M può essere realizzata come un disco rotante, lungo posizioni angolari del quale sono disposte le due maschere MI ed M2. Tale apparecchiatura è infine completata da un'unità di controllo CU, programmabile per coordinare le operazioni ed i movimenti dell'unità motorizzata dell'anima di avvolgimento C, dell'unità di spruzzatura e dell'unità di mascheratura M.

Il procedimento secondo l'invenzione prevede l'arrotolamento di un film dielettrico 10 di materiale polimerico attorno all'anima di avvolgimento C. Nel caso in cui si intenda fabbricare un DEA, tale film 10 è composto da un dielettrico elastomerico, mentre nel caso in cui si intenda fabbricare un attuatore a schiuma, tale film 10 è un film multistrato comprendente uno strato interno di schiuma rivestito sulle due facce da un film dielettrico ad alta resistenza al breakdown (quale per esempio PTFE, Kapton<®>, Mylar<®>, nastro adesivo VHB).

O iamente, dal momento che il nastro di elastomero deve essere avvolto evitando deformazioni per stiramento, la sua tensione deve essere controllata. Ciò può avvenire attraverso un opportuno meccanismo di frizione agente sul rullo di svolgimento (ovvero dove è fissata la bobina originale). Questo accorgimento è comune in apparati quali videoregistratori, etichettatrici, industria cartiera, ecc. In alternativa, il nastro di elastomero utilizzato può essere originariamente provvisto di una pellicola di protezione rigida (liner) che lo protegge dallo stiramento, la quale viene rimossa attraverso un meccanismo (comprendente ad esempio una puleggia motorizzata che avvolge il liner di scarto e una ruota folle) che effettua il distacco del liner dall'elastomero, dopo che quest'ultimo ha aderito allo strato già avvolto sull'anima di avvolgimento .

L'avvolgimento del film 10 avviene in modo intermittente secondo una sequenza prestabilita di rotazioni ed arresti dell'unità motorizzata dell'anima di avvolgimento C.

Durante l'avvolgimento, l'anima C viene quindi arrestata in posizioni angolari prestabilite, e l'unità di controllo comanda l'azionamento dell'unità di spruzzatura S in corrispondenza di tali posizioni angolari. L'unità di spruzzatura S provvede quindi all'applicazione del pre-polimero elastomerico conduttivo sulla faccia esposta 10c del film dielettrico 10. L'applicazione dell'elastomero conduttivo avviene pertanto in modo intermittente secondo una sequenza prestabilita, coordinata con la sequenza di movimenti dell'anima di avvolgimento C.

Inoltre, l'unità di controllo CU è programmata per comandare lo scambio fra la prima e la seconda maschera MI ed M2 dell'unità di mascheratura M ad ogni giro di avvolgimento del film polimerico 10. In questo modo, sul film dielettrico 10 vengono prodotti un primo ed un secondo pattern geometrico di applicazione 11, 12, i quali sono alternati fra loro ad ogni giro di avvolgimento di tale film 10. Ciò è visibile chiaramente nelle figure 5a e 5b, in cui il film 10 è illustrato, secondo una vista in pianta, mentre passa sotto la maschera MI e sotto la maschera M2 in occasione di giri di avvolgimento alternati .

L'elastomero conduttivo depositato secondo il primo ed il secondo pattern geometrico di applicazione 11, 12 forma quindi gli elettrodi positivi e negativi associati a ciascuno strato avvolto del film dielettrico 10. Grazie alle maschere MI ed M2, gli elettrodi 11 risultano disposti sul lato trasversalmente opposto del dielettrico 10 rispetto agli elettrodi 12. Dopo la deposizione di tali elettrodi, l'unità motorizzata MU comanda la rotazione dell'anima C alla posizione successiva, ed il processo viene ripetuto fino a ottenere un rotolo del raggio desiderato.

Con tale procedura si ottiene quindi un rotolo comprendente almeno una zona circonferenzialmente localizzata, indicata con 15 nelle figure 4 e 6, la quale è formata da strati del film dielettrico 10 radialmente alternati a strati 11, 12 dell'elastomero conduttivo (depositati secondo pattern differenti). Coordinando le operazioni di avvolgimento e di deposizione è possibile fabbricare contemporaneamente una pluralità di tali zone localizzate, in modo tale da ottenere alla fine un numero corrispondente di dispositivi.

Dopo aver raggiunto il numero desiderato di strati, il rotolo così ottenuto è sottoposto ad una fase di polimerizzazione del materiale elastomerico, in condizioni ambiente od eventualmente in condizioni controllate di temperatura e pressione, che permette anche l'unione meccanica fra gli strati. Trascorso il tempo per la polimerizzazione, il rotolo viene tagliato radialmente alle estremità della zona circonferenzialmente localizzata 15, in modo tale da permettere il prelievo di quest'ultima, ottenendo una pila multistrato 15' come illustrato in figura 7a.

Tale pila 15' viene poi rifilata per rimuovere eventuali piccole quantità di materiale dielettrico laterale per garantire che gli elettrodi siano esposti correttamente, come illustrato in figura 7b.

Infine, come illustrato in figura 7c, si collegano in modo elettricamente conduttivo gli strati di elastomero conduttivo aventi il primo pattern geometrico di applicazione 11 fra loro e, separatamente da questi, gli strati di elastomero conduttivo aventi il secondo pattern geometrico di applicazione 12 fra loro. Ciò viene ottenuto spruzzando due facce laterali opposte 13, 14 della pila 15' con lo stesso elastomero conduttivo,usato per la fabbricazione degli elettrodi, in modo tale da permettere la connessione di tutti gli elettrodi ai cavi di alimentazione positivo e negativo.

L'attuatore, indicato complessivamente con 15'' in figura 7, viene infine convenzionalmente munito di involucro ed isolato esternamente.

La procedura sopra descritta può essere usata per fabbricare attuatori polimerici di differenti geometrie, sia contrattili che espansive. A seconda della forma e delle dimensioni delle maschere, è infatti possibile depositare differenti pattern di elettrodi sul film dielettrico creando attuatori finali con differenti comportamenti di movimento. Sebbene gli inventori abbiano verificato che l'applicazione degli elettrodi è particolarmente efficiente e semplice se si utilizza una tecnica di spruzzatura, essi ritengono tuttavia che possa avvenire anche in modi diversi, quali ad esempio l'evaporazione metallica (con il problema però di creare un'opportuna camera a vuoto che permetta la deposizione) oppure stampa tramite rulli rotanti (in questo caso l'utilizzo della maschera verrebbe meno).

Come sopra accennato, per risparmiare tempo di fabbricazione e materia prima, è possibile programmare sull'apparecchiatura la fabbricazione contemporanea di più pile multistrato 15', fissando la fabbricazione di più zone localizzate multistrato 15 in rispettive differenti posizioni angolari del rotolo, come illustrato in figura 8. Tali pile possono inoltre essere assemblate fra loro per ottenere attuatori 15'' di differenti dimensioni e geometrie, come illustrato in figura 9. In questo modo, il maneggiamento e l'assemblaggio di tali pile macroscopiche risulterà molto semplice. Tale assemblaggio modulare permette inoltre una verifica di funzionalità su ciascun modulo prima dell'assemblaggio finale. Se un modulo risulta difettoso, esso verrà semplicemente scartato, invece di compromettere la funzionalità dell'intero attuatore .

Un attuatore espansivo può essere ottenuto semplicemente variando il pattern di deposizione degli elettrodi flessibili sul film dielettrico. Per la fabbricazione di aree conduttive ampie gli elettrodi flessibili possono essere depositati durante un movimento di rotazione di misura prestabilita dell'anima di avvolgimento C. In questo modo una maggior area del film dielettrico verrà coperta dagli elettrodi flessibili, come illustrato in figura 10.

Una caratteristica peculiare dei film di elastomero dielettrico è l'enorme incremento della loro resistenza al breakdown quando si applica un precarico. Se si usa un film precaricato è possibile applicare campi elettrici più intensi sull'attuatore, comportando un aumento della pressione di Maxwell generata e dello spostamento complessivo del dispositivo [4]. Pile multistrato fabbricate con la tecnica proposta possono essere ovviamente precaricate, usando un telaio o supporto esterno che mantenga il materiale allungato lungo una od entrambe le direzioni planari. È stato dimostrato che elettrodi di gomma flessibili fatti di elastomero poliuretanico caricato con nerofumo mantengono una sufficiente conducibilità (poche centinaia di KOhm) anche quando il substrato elastomerico dielettrico è biassialmente allungato. Per questo motivo, le pile multistrato fabbricate possono essere allungate ed assemblate sul supporto desiderato dopo il processo di deposizione degli elettrodi flessibili. Infine, si noti che la forza generata da questo tipo di attuatori è proporzionale all'area della loro sezione trasversale. Una geometria multistrato composta da un centinaio di strati elastomerici sottili impilati riduce la tensione di azionamento mantenendo una forza di azionamento comparabile a quella di un attuatore a singolo strato con lo stesso spessore complessivo.

Esempi

Per la fabbricazione di prototipi di attuatore sono state usate maschere con apertura di 2x2cm. Gli elettrodi flessibili sono stati fabbricati spruzzando una miscela di una gomma commerciale a due componenti silicone/poliuretano e nerofumo preliminarmente dispersa in toluene. La scelta della formulazione dell'elettrodo è stata studiata in funzione del substrato dielettrico, in modo da migliorare l'adesione fra gli elettrodi ed il dielettrico elastomerico . In particolare, elettrodi di silicone sono stati usati su un dielettrico elastomerico di silicone, mentre il poliuretano è stato preferito per un dielettrico elastomerico acrilico. Il nastro VHB di 3M è un elastomero acrilico comunemente utilizzato per la fabbricazione di DEA a causa delle sue buone proprietà elettriche [4]. Per la fabbricazione di attuatori elastomerici acrilici sono stati usati rotoli di nastro VHB con differente spessore (partendo da 0,5mm per VHB4905 fino a 50μm per VHB9460) . Naturalmente il tempo di fabbricazione dipende del DEA multistrato dipende dallo spessore del film. Ad esempio, un attuatore spesso 1cm richiederà 20 strati di VHB4905 e circa 200 strati di VHB9460.

Sono attualmente in corso esperimenti preliminari per valutare le prestazioni degli attuatori multistrato fabbricati con il procedimento secondo l'invenzione. Per valutare la deformazione dell'attuatore in funzione della tensione applicata si è utilizzato un Setup sperimentale composto da una videocamera ad alta risoluzione (Hamamatsu C4742) collegata ad un programma Labview che genera lo stimolo elettrico appropriato ed effettua una misurazione ottica.

Le prove preliminari condotte su attuatori prototipo precaricati fatti di nastro VHB hanno mostrato grosse differenze nella deformazione laterale prodotta, dal 5% al 12%, a seconda della configurazione di attuazione (contrazione/espansione) e del materiale dielettrico utilizzato (VHB4905/VHB9460) . Gli esperimenti hanno inoltre mostrato un significativo effetto-viscoso dipendente dalle proprietà viscoleastiche del dielettrico acrilico e della matrice polimerica usata per fabbricare gli elettrodi flessibili (figura 11).

Riferimenti

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[16] Pei Q., Rosenthal M., Stanford S., Prahlad H., Pelrine R., "Multiple-degrees-of -freedom electroelastomer roll actuators", Smart Material Structures, Voi 13, pp . N86-N92, 2004

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la fabbricazione di un attuatore polimerico multistrato, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi seguenti: predisporre un'anima di avvolgimento (C) rotante attorno ad un proprio asse centrale (x), arrotolare un film dielettrico (10) di materiale polimerico attorno all'anima di avvolgimento, durante 1'arrotolamento, applicare un materiale conduttivo sulla faccia esposta (10c) del film dielettrico, in cui detta applicazione avviene in modo intermittente secondo una sequenza prestabilita, e secondo un primo ed un secondo pattern geometrico di applicazione (11, 12) alternati fra loro ad ogni giro di avvolgimento, in modo tale da formare un rotolo comprendente almeno una zona circonferenzialmente localizzata (15) formata da strati del film dielettrico radialmente alternati a strati del materiale conduttivo, tagliare radialmente il rotolo alle estremità di detta zona circonferenzialmente localizzata, in modo tale da poter estrarre una corrispondente pila (15') formata dagli strati del film dielettrico alternati agli strati del materiale conduttivo, e collegare in modo elettricamente conduttivo gli strati di materiale conduttivo aventi il primo pattern geometrico di applicazione fra loro e, separatamente da questi, gli strati di materiale conduttivo aventi il secondo pattern geometrico di applicazione fra loro.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta applicazione del materiale conduttivo sulla faccia esposta del film dielettrico avviene per spruzzatura, e detti primo e secondo pattern geometrico di applicazione sono ottenuti rispettivamente attraverso una prima ed una seconda maschera (MI, M2) intercambiabili.
3. 3 . Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto collegamento elettrico fra gli strati di materiale conduttivo aventi il primo pattern geometrico di applicazione e fra gli strati di materiale conduttivo aventi il secondo pattern geometrico di applicazione avviene per spruzzatura del materiale conduttivo su lati opposti (13, 14) di detta pila.
4. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui si realizza una pluralità di dette zone circonferenzialmente localizzate (15), dalle quali si ottiene una pluralità di corrispondenti pile (15'), dette pile essendo poi assemblate fra loro in modo tale da ottenere detto attuatore polimerico multistrato.
5. 5. Apparecchiatura per la fabbricazione di un attuatore polimerico multistrato, caratterizzata dal fatto di comprendere un anima di avvolgimento (C), in grado di ruotare attorno ad un proprio asse centrale (x), la quale è predisposta per arrotolare un film dielettrico (10) di materiale polimerico; un'unità motorizzata (MU) per azionare in rotazione detta anima di avvolgimento, detta unità motorizzata essendo inoltre provvista di mezzi misuratori angolari per tenere traccia della posizione angolare dell'anima di avvolgimento (C); un'unità di spruzzatura (S) per l'applicazione di un materiale conduttivo sulla faccia esposta (10c) del film dielettrico (10) durante 1'arrotolamento di quest'ultimo sull'anima di avvolgimento (C); un'unità di mascheratura (M), interposta fra l'unità di spruzzatura (S) e l'anima di avvolgimento (C), detta unità di mascheratura (M) comprendendo una prima ed una seconda maschera (MI, M2) intercambiabili in modo automatizzato; ed un'unità di controllo (CU), programmabile per coordinare l'unità motorizzata dell'anima di aw olgimento (C), l'unità di spruzzatura (S) e l'unità di mascheratura (M) in modo tale per cui detta applicazione avvenga in modo intermittente secondo una sequenza prestabilita, ed attraverso dette prima e seconda maschera alternate fra loro ad ogni giro di avvolgimento del film dielettrico (10).