WO2013034549A2 - Elastomerbeschichtungskopf mit einer beschichtungsdüse und verwendung von aufweitmitteln - Google Patents

Elastomerbeschichtungskopf mit einer beschichtungsdüse und verwendung von aufweitmitteln Download PDF

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Definitions

  • the present invention describes a
  • An elastomeric coating head comprising a coating die by means of which an elastomeric layer for forming a dielectric layer of a dielectric elastomer stacking actuator or sensor can be applied and the use of expansion means for expanding a material jet of an elastomer emerging from a nozzle orifice of a coating die for layering dielectric layers of a dielectric elastomer stacking actuator or sensor ,
  • Actuators based on electroactive polymers or elastomers are finding increasing interest in various fields of technology, in particular in automotive engineering, robotics, optics and medical technology.
  • First commercial products are found in optics as lenses for example for cameras in mobile phones.
  • Such dielectric elastomer actuators convert electrical voltage into mechanical work, so that tactile applications, such as a tactile glove or a tactile display for Braille writing (see “Miniaturized Electrostatic Tactile Display with High Structural Compliance, M. Jungmann, H: F: Schlaak, in Proceedings of the Conference "Eurohaptics 2002") are possible.
  • Known DEA consist of at least one dielectric layer, consisting of an incompressible elastomer in the form of a film or a film, which is coated on both sides with an electrode on both an upper side and a lower side.
  • an electrical voltage is applied to the electrodes, an electrostatic field is created between the electrodes, causing the elastomeric material to deform due to the Maxwell stress.
  • the material expands perpendicular to the field direction and is pressed together parallel to the field direction; a reduction of the applied voltage causes the return of the dielectric layer to its original configuration.
  • the dielectric elastomer actuator can now work through the deformation path of the elastomer.
  • dielectric actuators are the high energy density, which can be more than 0.2 J / cm3, which corresponds to more than twice the energy density of piezoelectric actuators.
  • Next advantageous is the possibility of encapsulation, so that such actuators are used depending on the elastomer used under a variety of environmental conditions.
  • the material costs for such actuators are low; they are also light and noiseless.
  • the elastomer acts as a dielectric in the dielectric actuator, the aim being to achieve the highest possible dielectric constant and the highest possible electrical breakdown strength.
  • silicones or acrylics are used, for example.
  • 3M acrylic elastomer VHB4910 which allows maximum elongation (up to 300%).
  • a mechanical pre-stretching of the elastomeric film or the elastomeric film leads to increased dielectric strength and lower thickness, which in turn results in a smaller thickness of the film or foil and thus to lower electrical voltages for the same electrostatic pressure.
  • At field strengths up to 90 V / pm are at usual Elastomeric thickness expansions, ie. Strains in the field direction, reaching up to 20%.
  • the thickness of an elastomeric film is in the ⁇ - range, z. Ex. At 60 ⁇ to 100 pm, but z. B. 20 ⁇ would be desirable because with thinner layers, a smaller electrical voltage for the same effect can be used, which in turn leads to significantly lower costs for the use of such actuators high voltage adapter.
  • This small thickness hardly gives a usable working range across the thickness (or height) of an actuator with a single pair of electrodes, even with highly stretchable dielectric layers between the electrodes.
  • Operating single-layer dielectric elastomer actuators requires operating voltages in the kilovolt range of 2kV to about 20kV. Such high operating voltages are close to the breakdown field strength of the elastomer and are disturbing for many applications.
  • dielectric actuators are formed from stacks of electrode layers separated by dielectric layers, so that the working paths of the individual electrode pairs can add up until the resulting working path exceeds the height of the stack for a single electrode
  • the disadvantage of thinner layers associated with reduced deformation is offset by stacking many dielectric layers.
  • a plurality of thin dielectric layers are alternately provided on both sides with electrode layers and stacked into complex dielectric elastomer stack actuators.
  • the number of dielectric layers used can not be adapted to the intended use.
  • the spin coating process is included
  • Liquid elastromer is applied by dropping a static mixer onto a substrate on the centrifuge plate in a first dosing step, the centrifuge plate having a low speed. Subsequently, in a second spin-off step with increased rotational speed, the centrifugal acceleration is utilized to distribute the elastomer on the substrate. It is a Dielektrikumlage formable with controllable thickness. Depending on the viscosity of the liquid elastomer and the speed of the centrifuge bowl, the thickness of the resulting Dielectric layer defined. In order to achieve reproducible thicknesses of the resulting dielectric layer, the viscosity must be constant and the speed must be controllable precisely, at the best computer-controlled. This elastomer coating runs automatically.
  • the process of spin coating is technically easy to control and leads within minutes to a dielectric layer with the desired thickness.
  • the experimental design for the spinning process is complicated, especially as regards the control unit of the spinning process, so that the required speeds are achievable.
  • the essentially liquid elastomer is deposited directly and homogeneously directly in the thickness predetermined for the respective layer, eliminating the need for rotation and / or homogeneity. spinning for the formation of both the layer itself and its desired thickness, which significantly reduces the production time and significantly reduces the production cost.
  • a freshly formed dielectric layer need only be crosslinked to such an extent that it can carry the electrode layer associated with it, since the considerable stress due to the rotation during the formation of the next layer is eliminated. This additionally shortens the production time.
  • Another object is the simplified creation of contact lines, which connect only the respective first or second electrode layers together, wherein a flexibility of the contact lines is achieved.
  • FIG. 1 a shows a construction for applying elastomeric layers of elastomers with a raster device in a schematic perspective view
  • Figure lb is a sectional view of a structure according to Figure la in the y direction and
  • FIG. 2a shows a stack of a manufactured actuator according to FIG.
  • FIG. 2b shows the stack of the actuator from FIG. 2a after completion of the first electrode layer
  • FIG. 2c shows the stack of the actuator from FIG. 2a after completion of the second dielectric layer, respectively in a perspective view.
  • Figure 4 shows an elastomer stacking actuator with two dielectric layers in perspective, wherein contact tabs of the first electrode layer and the second electrode layer, are shown for connection, through which connection channels are pricked.
  • a device comprising a substrate holder 1 and a raster device 2 is shown schematically in perspective.
  • the raster device 2 here comprises two longitudinal rails 22 and a transverse support 23 movable therein in the x-direction.
  • the transverse rail 23 is arranged so as to be longitudinally movable on the longitudinal rails 22.
  • An elastomeric coating head 20 which is movably mounted in a y-direction and a z-direction relative to the cross member 23, is attached to the cross member 23 as a dispensing unit.
  • the x, y, and z directions are orthogonal to each other.
  • a Vorrats L. Mixing container (not shown) for researchernemdes liquid elastomer is provided in or on the elastomeric coating head 20, a u s s which at least one liquid elastomer from the elastomeric coating head 20 can be issued.
  • a film of liquid elastomer is deposited on the statically held substrate by means of a coating nozzle 21, whereby any desired contour in the x and y direction of the deposited elastomer layer can be produced by suitable method of the elastomer coating head 20 together with the activation of the coating nozzle 21 ,
  • FIG. 1 a shows a processing station with a suitable radiation source, such as an IR or UV source for crosslinking the deposited dielectric layers 40, and FIG another processing station, in which electrode layers can be applied.
  • a suitable radiation source such as an IR or UV source for crosslinking the deposited dielectric layers 40
  • FIG another processing station in which electrode layers can be applied.
  • the substrate holder is preferably designed as a mobile base on which the actuator to be produced is removed from the raster device 2 and to a UV source or a station for applying the electrode layers and finally for crosslinking by, for example, heat supply (eg an oven) and / or Irradiation can be brought.
  • heat supply eg an oven
  • Irradiation can be brought.
  • the substrate preferably remains at rest.
  • Attached to the elastomer coating head 20 is the coating nozzle 21, by means of which a controlled amount of the liquid elastomer can be deposited on the substrate holder 1 or on the closest substrate surface directly facing the coating nozzle 21 in two-dimensional extension.
  • the coating nozzle 21 has expansion means, which are either integrally formed on the coating nozzle 21 or detachably or non-detachably attached. Due to the expansion means, the emerging material jet is selectively expanded in one direction.
  • the special design of the nozzle opening is chosen so that a desired expansion is achieved.
  • the coating nozzle 21 shown here has a slot-shaped nozzle opening 210.
  • the nozzle opening 210 is defined by a nozzle opening length I, extending in the y-direction and a nozzle opening width b, extending in the x-direction.
  • the nozzle opening length I is selected larger by a multiple than the nozzle opening width b. It thus achieves a desired uniform coating or deposition of the viscous liquid elastomer onto the substrate in almost two-dimensional extent.
  • the elastomer can be laid out in strips in the x-direction due to the fixed nozzle opening width b, the individual webs likewise having fixed widths and a substantially constant thickness, thus providing a dielectric layer 40 with a defined layer thickness after a planar covering d (see Fig. Lc) is reached.
  • Decisive is the design of the elastomer coating head 20 m widening means, which allow a flat almost two-dimensional homogeneous storage of the broadest possible strip of the elastomer.
  • the material jet of the elastomer has to be laid out or deposited in layers at defined heights h two-dimensionally in one direction (for example the Y-direction).
  • expansion means may serve a spaced-apart funnel or an obliquely arranged plate with a widening in the y-direction, on which the elastomeric material impinges and is distributed before it hits the substrate as a widened liquid jet impinges.
  • the controlled movement of the raster device 2, the elastomer coating head 20 and thus the coating nozzle 21 can be achieved in a controllable fixed height h (in the z-direction) to the respectively uppermost layer of the substrate. In this way, it is possible to formulate the adhesive layers 40 and the formation of reproducible layer thicknesses d.
  • a finished DEA 4 has a sandwich structure composed of first electrode layer 41, dielectric layer 40 and second electrode layer 42.
  • a finished elastomer stacking actuator 4 can have on both sides end surfaces in the form of dielectric layers 40 or end surfaces in the form of an electrode layer 41, 42.
  • the electrode layers 41, 42 can be arranged in different ways on the respective dielectric layer 40a.
  • the electrode layers 41, 42 comprise electrically conductive material particles of metal or carbon particles.
  • the illustrated electrode layers 41, 42 have electrode layer thicknesses e, e '.
  • FIG. 2 a shows a first dielectric layer 40, which is formed from an elastomer, of a dielectric elastomer stack actuator 4 (FIG.
  • the first dielectric layer 40 remains on the substrate without displacement lie as it has been stored - in contrast to m spi n coati ng - is thus deposited statically in the predetermined for the layer Lünd icke d.
  • a crosslinking step takes place, which can take place with different degrees of crosslinking by a thermal treatment in an oven or by UV or infrared irradiation.
  • a first electrode layer 41 or second electrode layer with an electrode layer thickness e is applied.
  • the electrode layer 41, 42 has been applied, the deposition of a further dielectric layer 40 can take place as shown in FIG. 2c.
  • This process is correspondingly reversed to repeated use of moles, which produces an elastomer stack as shown in FIG. 1c, which forms the finished dielectric elastomer stacking actuator 4 after making contact with connecting lines 43.
  • electrically conductive material particles are carbon particles in different structural forms in question, but also metal particles.
  • Useful material particles have a size of less than a micrometer.
  • graphite powder, inert paste or conductive carbon black on the dielectric layer 40 produced in this case can be applied under clean-room conditions.
  • silver nano-wire and other material particles smaller than one micron in size can be used.
  • Advantageous is the use of material particles in the form of nanoparticles and thus sizes of less than or equal to 100 nanometers.
  • the electrically conductive material particles are dissolved in a carrier suspension.
  • a liquid jet of the carrier suspension with dissolved therein Material particles is controlled by means of piezo drive, whereby one can choose between drop-wise and beam-wise outlet. Due to the controllability of different high flow rates of the carrier suspension of the material order can be adjusted to the desired feed rate.
  • the nozzle opening length I should be substantially at least a hundred times larger than the nozzle opening width.
  • elastomeric material By controlling by means of raster device 2 elastomeric material can be stored in the manner of a plotter on the substrate. For this to work exactly, the outlet speed of the elastomer must be adjusted to the respective feed rate.
  • a plurality of elastomer coating heads 20, each with a coating nozzle 21, may be attached to the raster device 2 in order to achieve the parallel simultaneous production of a plurality of dielectric layers 40.
  • the elastomer material it is possible to use silicones, 1- or 2-component silicone rubbers or acrylics, which crosslink correspondingly by irradiation and / or thermal energy.
  • the viscosity of the elastomer material used should be less than or equal to 1500 mPas, so that a sufficiently rapid application of the elastomeric material is feasible.
  • Elastomer coating head 20 can be made of dielectric layers 40 having a thickness of 30 pm or less, preferably with a thickness between 10 pm and 20 pm. In general, it is advantageous for the formation of a perfect layer that the distance of the nozzle opening to the substrate is kept in the range of 1.5 times the layer thickness. However, depending on the viscosity of the liquid elastomer, the skilled person may provide a different spacing. Likewise, when using a different parameter value, the person skilled in the art can set the remaining values correspondingly to the values listed above.
  • the prepared elastomeric elastomer stacking actuator 4 can also be used as a sensor, or as an actuator and sensor at the same time, by its evaluation electronics, with which it is operatively connected, generates a corresponding signal due to a current state of deformation of the actuator, which can be suitably evaluated.
  • the operating voltage of the Actuators are superimposed, for example, with a high-frequency AC voltage, which is detected by this one of the current deformation of the actuator corresponding impedance by the evaluation electronics.
  • 41, 42 was a suspension comprising a colloid portion of electrically conductive material particles, which in a water-soluble
  • Solvent is used, which is placed on the elastomer surface.
  • Carbon nanoparticles under the name "Ketjenblack 600” were blended with a solvent containing sodium dodecylbenzene sulfonate ("SDBS") to ensure uniform distribution of the carbon nanoparticles in the resulting suspension.
  • SDBS sodium dodecylbenzene sulfonate
  • the suspension of isopropanol was added to ensure wettability with the actuator material.
  • the preparation of this suspension was carried out as follows: lg Ketjenblack 600 was dissolved in 125 g isopropanol and 2.5 g SDBS. The SDBS was weighed, then dissolved in isopropanol in an ultrasonic bath for about 5 to 10 minutes. The separately weighed carbon nanoparticles were then added to the solution in the ultrasonic bath for a further at least 15 minutes.
  • a solvent comprising alkylbenzenesulfonates especially at least one linear alkylbenzenesulfonate and in particular sodium dodecylbenzenesulfonate or sodium dodecylbenzenesulfonate leads to particularly good results.
  • Suitable suspensions comprised a colloid content of 0.2 to 2% by weight, a proportion of the water-soluble solvent of 93 to 98.8% by weight and a proportion of the additive of 1 to 5% by weight.
  • electrically conductive particles made of carbon for example carbon nanotubes, carbon nanorods, fullerenes or graphene-comprising particles, metallic particles in the form of metallic nanotubes, nanorods or nanowires can be used.
  • the suspension is stored in a closed container, which is outside the manufacturing plant. Not far away, a commercially available metering valve (Nordson EFD 781 RC plus Backpack Valve Actuator) is mounted on the manufacturing line, which can be moved with the grid assembly 2 in all 3 directions.
  • the system at n ha leads to the pump which pumps the suspension from the container into the metering valve and back again, whereby a steady flow of the suspension in a closed circuit also in the switched off (standby) state of the Metering valve is maintained. This ongoing Circulation movement serves to avoid agglomeration and sedimentation of the solids (conductive particles).
  • the nozzle opening is guided very close (about 50 ⁇ m) over the previously applied dielectric layer 40.
  • the nozzle orifice is moved in the plane (xy direction) to apply the suspension in a desired shape and size.
  • the volume flow of the suspension is up to 8mm 3 / s.
  • a continuous droplet forms between the nozzle opening and the respective substrate, whereby a part of the droplet remains on the surface of the substrate due to the movement of the nozzle opening.
  • an approx. 10 - 20 ⁇ m thick (wet) and 1 mm wide track forms.
  • the distribution of the trace is determined essentially by the surface tension of the substrate and by the property of the solvent used.
  • the distance of the individual webs of the deposited suspension is selected so that the next adjacent web slightly overlaps the already deposited web ( ⁇ 0.1 mm). As a result, an electrical connection is created between the webs and at the same time prevents renewed detachment, which would lead to a conductivity-reducing cratering of the already applied electrode.
  • the solvent is evaporated (at room temperature) and only the conductive particles remain on the substrate with one Layer thickness ⁇ 2 ⁇ ⁇ .
  • the particles remain homogeneously distributed on the surface. Electrically conductive connection of the electrode layers
  • the electrode layers 41, 42 to be electrically interconnected are each connected to each other within the dielectric elastomer stack actuator 4 via an injection of conductive material 51 through the body of the stack, as shown in FIG.
  • a mixture of electrically conductive particles mixed with an elastomer or with a solvent may be used as the electrically conductive material to be injected.
  • the conductive material 51 is either crosslinked or dried by volatilization of the solvent, depending on the nature of the conductive material 51 after the injection.
  • the conductive material 51 is injected into the connecting channels 50 and thus the connecting channels 50 filled with the conductive material 51.
  • connection channels 50 can be done after each application of one or more dielectric layers 40 or each further or more electrode layers 41, 42, or preferably after completion of the complete dielectric elastomer stack actuator 4.
  • the electrical connection thus formed between the associated electrode layers 41, 42 is finally increased elastically movable, in contrast to the usual in the prior art wire, durable and thus protects the surrounding material, which supports a long life of the actuator 4.
  • the solvent should wet the conductive particles as well as the elastomer of the dielectric layers 40 to ensure proper functioning of the material 51 filled in the channels 50, and thus of the elastomer stack actuator 4.
  • a flexibly movable connection remains, flexible contact lines between the first and second electrode layers 41, 42 comprising conductive particles inside the connecting cable nä le 50 exist. Outside the dielectric Elastomerstapelaktors 4, the flexible contact lines are connected to the external leads 43, by means of which the electrode layers 41, 42 are then acted upon by electrical voltage.
  • the resulting dielectric elastomer stack actuator 4 can also be used simultaneously as a sensor or as an actuator and sensor by virtue of its evaluation electronics, with which it is operatively connected, generating a corresponding signal based on a current state of deformation of the elastomer stack actuator 4, which signal can be suitably evaluated.
  • the operating voltage of the actuator can be superimposed, for example, with a high-frequency alternating voltage, via this one of the current deformation of the actuator corresponding impedance can be detected by the evaluation electronics.
  • connecting channels 50 In order to be able to carry out the production of connecting channels 50, the subsequent injection of conductive material 51 and the associated filling of the connecting channels 50 in such a way that all first electrode layers 41 and second electrode layers 42 can be connected to one another, the electrode layers 41 42 be formed accordingly.
  • contact lugs 410 are arranged on the first electrode layers 41 and contact lugs 420 on the second electrode layers 42.
  • the conductive material 51 is an elastomer filled with conductive particles.
  • conductive particles may consist of carbon or be metallic.
  • the conductive particles may include graphene structures, carbon nanotubes, carbon nanorods, or metallic nanotubes, nanorods, or nanowires.
  • the conductive particles in turn consist of the same material through which the electrode layers 41, 42 are formed and / or the elastomer used is the same as that used for the dielectric layers 40 for the compatibility of the electrode layers 41, 42 and to ensure the flexible contact lines.
  • a connecting channel 50 is formed by the insertion of the already filled with conductive material 51 injection needle 5 into the stack, wherein material of the dielectric Elastomerstapelaktors 4 is verd verd.
  • the conductive material 51 is injected into the connecting channel 50 at the same time.
  • the connecting channel 50 closes by the displacement-induced mechanical stress until the channel volume corresponds to the filling quantity.
  • connection channel 50 remains open after creation.
  • the conductive material 51 is filled after insertion of the injection needle 5 in the open connection channel during subsequent withdrawal into the connecting channel.
  • the filling amount must at least correspond to the channel volume that a reliable contact between conductive material 51 and the electrode layers 41, 42 is given.
  • the conductive material 51 is crosslinked, for example by heating, or the solvent is evaporated off.
  • the elastomer as part of the conductive material 51, a mechanical connection between the dielectric elastomer stack 4 and the flexible contact leads is achieved by the crosslinking.
  • the conductive material 51 typically used is a carbon black-filled two co-polymeric silicone astomer. Wacker Elastosil RT 745 and Akzo Nobel Ketjenblack EC-600JD are used. This crosslinks at room temperature. Both the cutting needle and the injection needle are mounted on the production line, which with the raster device 2 in all 3 Directions in the room can be moved. As a result, the connection channels 50 and the flexible contact lines can be attached with the highest precision at the desired position.
  • a cutting needle a biopsy needle from the medical field is used. This has an outer diameter of 4 mm, inner diameter of 3 mm and a length of 125mm, whereby the cutting needle can be shortened to increase the precision.
  • the cutting needle is punched into the dielectric elastomer stacking actuator 4 at a speed of up to 1 m / s. This deforms so that, depending on the material properties, a circular channel is cut with a diameter ⁇ 1 mm.
  • the injection needle 5 is placed on a filled with conductive material 51 cartridge.
  • a spindle-motor driven piston in the cartridge can pump the conductive material 51 under high pressure through the injection needle 5, which also allows the processing of highly viscous liquids using thin injection needles 5.
  • a conductive material 51 comprising conductive particles filled silicone elastomer having a flow viscosity> 10000 mPa s
  • an injection needle 5 with 0.8 mm inner diameter and a length of 20 mm is used.

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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  • Laminated Bodies (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Die Herstellung von dielektrischen Elastomerstapelaktoren bzw. -sensoren soll derart verbessert werden, dass mit verringertem technischem Aufwand eine reproduzierbare homogenere Verteilung von Elastomermaterial mit einer definierten Lagendicke in kurzer Zeit ohne weiteren homogenisierenden Nachbehandlungsschritt einer resultierenden Dielektrikumlage möglich wird. Dies wird durch Verwendung von Aufweitmitteln zur Aufweitung eines aus einer Beschichtungsdüse (21) austretenden Materialstrahls eines Elastomers, welcher in eine y-Richtung aufgeweitet auf einem Substrat, über welches die Beschichtungsdüse (21) mittels einer Rastervorrichtung (2) in einer x-Richtung bewegbar ist, ablegbar ist. Es wird ausserdem eine Suspension zur Erzeugung von Elektrodenlagen offenbart, sowie eine Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen durch Injektion von leitfähigem Material in Verbindungskanäle innerhalb des dielektrischen Elastomerstapelaktors.

Description

Elastomerbeschichtunqskopf mit einer Beschichtunqsdüse und
Verwendung von Aufweitmitteln
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen
Elastomerbeschichtungskopf mit einer Beschichtungsdüse, mittels welcher eine Elastomerschicht zur Formung einer Dielektrikumlage eines dielektrischen Elastomerstapelaktors bzw. -sensors aufbringbar ist und die Verwendung von Aufweitmitteln zur Aufweitung eines aus einer Düsenöffnung einer Beschichtungsdüse austretenden Materialstrahls eines Elastomers zur schichtweisen Erzeugung von Dielektrikumlagen eines dielektrischen Elastomerstapelaktors oder - sensors.
Stand der Technik
Auf eiektroaktiven Polymeren oder Elastomeren basierende Aktoren finden zunehmend Interesse in verschiedenen Bereichen der Technik, insbesondere im Automobilbau, der Robotik, der Optik und in der Medizintechnik. Erste kommerzielle Produkte sind in der Optik als Linsen zum Beispiel für Kameras in Handys zu finden. Aber auch die Entwicklung künstlicher Muskeln wird vorangetrieben. Derartige dielektrische Elastomeraktoren (DEA) setzen elektrische Spannung in mechanische Arbeit um, so dass auch taktile Anwendungen, wie ein taktiier Handschuh oder eine taktile Anzeige für die Braille-Schrift (s. "Miniaturised Electrostatic Tactile Display with High Structural Compliance, M. Jungmann, H:F: Schlaak, in Proceedings of the Conference "Eurohaptics 2002") möglich sind. Bekannte DEA bestehen aus mindestens einer Dielektrikumlage, bestehend aus einem inkompressiblen Elastomer in Form eines Films oder einer Folie, welches an jeweils einer Oberseite und einer Unterseite beidseitig mit Elektroden beschichtet ist. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektroden wird ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt, wodurch sich das Elastomermaterial aufgrund der Maxwell Spannung verformt. Bei der Verformung dehnt sich das Material senkrecht zur Feldrichtung aus und wird parallel zur Feldrichtung zusammen gepresst; eine Reduktion der angelegten Spannung bewirkt eine Rückkehr der Dielektrikumlage in seine ursprüngliche Konfiguration. Der dielektrische Elastomeraktor kann nun über den Verformungsweg des Elastomers Arbeit leisten.
Vorteilhaft an solchen dielektrischen Aktoren ist die hohe Energiedichte, die mehr als 0,2 J/cm3 betragen kann, was mehr als der doppelten Energiedichte von piezoelektrischen Aktoren entspricht. Weiter Vorteilhaft ist die Möglichkeit der Kapselung, so dass solche Aktoren je nach dem verwendeten Elastomer unter den verschiedensten Umgebungsbedingungen einsetzbar sind. Schliesslich sind die Materialkosten für solche Aktoren niedrig; sie sind zudem leicht und geräuschlos.
Der Struktur einer Kapazität entsprechend wirkt im dielektrischen Aktor das Elastomer als Dielektrikum, wobei eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante und möglichst hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit angestrebt wird. Häufig werden Silikone oder Acryle verwendet, z.Bsp. das acrylische Elastomer VHB4910 von 3M, das grösste Dehnungen (bis 300%) zulässt. Eine mechanische Vordehnung des Elastomerfilms bzw. der Elastomerfolie führt zu erhöhter Durchschlagsfestigkeit und geringerer Dicke, was wiederum eine geringere Dicke des Films bzw. der Folie zur Folge hat und so zu tieferen elektrischen Spannungen für den gleichen elektrostatischen Druck. Bei Feldstärken bis zu 90 V/pm werden bei üblichen Elastomeren Dickendehnungen, d .h . Dehnungen in Feldrichtung, bis zu 20% erreicht.
Die Dicke einer Elastomerfolie liegt im μηι - Bereich, z. Bsp. bei 60 μηι bis 100 pm, wobei jedoch z. B. 20 μιη wünschenswert wären, da bei dünneren Schichten eine kleinere elektrische Spannung für die gleiche Wirkung verwendet werden kann, was wiederum zu deutlich geringeren Kosten für die bei solchen Aktoren zu verwendenden Hochspannungsadapter führt. Diese geringe Dicke ergibt auch bei hoch dehnbaren dielektrischen Schichten zwischen den Elektroden kaum einen nutzbaren Arbeitsbereich über die Dicke (oder Höhe) eines Aktors mit einem einzigen Paar von Elektroden. Zum Betrieb einschichtiger dielektrischer Elastomeraktoren werden Betriebsspannungen im Kilovoltbereich von 2kV bis etwa 20 kV benötigt. Derart hohe Betriebsspannungen liegen nahe an der Durchschlagfeldstärke des Elastomers und sind für viele Anwendungen störend.
Ein Ausweg wurde in der Entwicklung einer Mehrschichttechnologie und der Schaffung von mehrschichtigen dielektrischen Elastomeraktoren gefunden, welche dielektrische Elastomerstapelaktoren bilden.
Entsprechend werden dielektrische Aktoren aus Stapeln von durch dielektrischen Schichten getrennten Elektrodenlagen gebildet, damit sich die Arbeitswege der einzelnen Elektrodenpaare addieren können, bis der resultierende Arbeitsweg über die Höhe des Stapels für eine
Anwendung genügt (während die Arbeitskraft von der Fläche der
Aktoren, und nicht von deren Anzahl abhängt).
U m D EAs i n Meh rsch ichttech n ol og ie anzufertigen, welche mit niedrigeren Betriebsspannungen betreibbar sind, wird eine Herstellung der einzelnen Dielektrikumlagen mit Lagendicken unterhalb von 100 pm, bevorzugt von wenigen Mikrometern angestrebt. Das Herstellungsverfahren muss automatisiert und damit kostengünstig ausgestaltet sein, welches eine reproduzierbare Herstellung der Dielektrikumlagen mit geringen Schwankungen der Dicken gewährleistet, womit mit verringerten Betriebsspannungen betätigbare dielektrische Elastomerstapelaktoren erreichbar sind . Angestrebt werden dielektrische Elastomerstapelaktoren mit bis zu hundert oder mehr Dielektrikumlagen, welche möglichst kostengünstig herstellbar sind .
Der Nachteil der mit verringerter Deformation dünneren Schichten verbundenen ist, wird durch Stapelung vieler Dielektrikumlagen ausgeglichen. Eine Mehrzahl von dünnen Dielektrikumlagen wird abwechselnd beidseitig mit Elektrodenlagen versehen und zu komplexen dielektrischen Elastomerstapelaktoren gestapelt. Die Anzahl der verwen deten Dielektri ku m l agen ka n n a n d en gewü nschten Verwendungszweck angepasst werden.
Aus dem Stand der Technik ist die schichtweise Erzeugung von Dielektrikumlagen durch Tauchen, Sprühen oder das Spin - Coating- Verfahren (Rotationsbeschichtungsverfahren) bekannt.
Das Rotationsbeschichtungsverfahren wird bei
Umgebungsbedingungen durchgeführt und ist geeignet, dielektrische Elastomerstapelaktoren mit gewünschten Dicken der Dielektrikumlagen auf einem Schleuderteller schichtweise übereinander zu stapeln. Fl üssiges El astomer wi rd d u rch einen statischen M ischer auf ein Substrat auf dem Schleuderteller in einem ersten Dosierungsschritt durch Auftropfen aufgebracht, wobei der Schleuderteller eine geringe Drehzahl aufweist. Anschliessend wird in einem zweiten Abschleuderschritt mit erhöhter Drehzahl die Zentrifugalbeschleunigung zur Verteilung des Elastomers auf dem Substrat ausgenutzt. Es ist eine Dielektrikumlage mit kontrollierbarer Dicke ausbildbar. Je nach Viskosität des flüssigen Elastomers und der Geschwindigkeit des Schleudertellers wird die Dicke der resultierenden Dielektrikumlage definiert. Um reproduzierbare Dicken der resultierenden Dielektrikumlage zu erreichen muss die Viskosität konstant und die Drehzahl genau, am bestens computergesteuert, regelbar sein. Diese Elastomerbeschichtung läuft automatisiert ab.
Der Vorgang der Rotationsbeschichtung ist technisch gut beherrschbar und führt innerhalb von Minuten zu einer Dielektrikumlage mit der gewünschten Dicke. Der experimentelle Aufbau für den Schleudervorgang ist kompliziert, vor allem was die Steuerungseinheit des Schleudervorganges angeht, damit die geforderten Drehzahlen erreichbar sind .
Die erreichbare Homogenität und Oberflächenqualität wird durch die Ausbildung von sogenanntem Schattenwurf, Blasenbildung, unvollständiger Bedecku n g der Su bstrato berfl äche u n d M itten- und/oder Randüberhöhungen gestört. Es ist keinesfalls trivial eine Vielzahl von Dielektrikumlagen bestehend aus einem Elastomer mit ausreichender Homogenität und geforderter Oberflächengüte in einem Verfahren mit möglichst wenig Ausschuss zu erreichen.
Aus der EP1919072 ist bekannt, dass die Herstellung einer Dielektrikumlage aus einem Elastomer mit Lagendicken von weniger als 100 pm nicht einfach ist, da derartige Elastomerlagen äusserst fein, empfindlich und elastisch aber auch plastisch verform- und dehnbar sind . Auch die gleichförmige Erstellung einer gewünschten Lagendicke und mit ausreichender Homogenität sind nicht einfach zu erreichen. Damit jede spätere Dielektrikumlage die gleiche Ausdehnungscharakteristik aufweist werden hohe Anforderungen an jede einzelne Dielektrikumlage gestellt.
Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Düsen sind Elastomermengen in Form eines Kegels mit runder Ablagefläche ablegbar. Die erreichbare Homogenität der abgelegten Lagendicke ist nicht zufriedenstellend . Es wird unterschiedlich viel Elastomermaterial abgelegt, sodass eine ungleichmässige Lagendicke resultiert. Man muss nach dem Ablegen des Elastomermaterials eine ausreichende Zeit abwarten, damit sich das flüssige Elastomer aufg ru nd seiner Viskosität gleichmässig auf dem Substrat verteilt. Es können damit Dielektrikumlagen erreicht werden, die eine verbesserte Homogenität aufweisen. Dies kann nur durch eine zeitliche Verlängerung des Herstellungsprozesses erreicht werden, wel che je nach Anza h l der anzufertigenden Dielektrikumlagen beträchtlich sein kann.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt die Herstellung von DEAs zu verbessern, wobei eine homogene reproduzierbare Verteilung des Elastomers mit einer definierten Lagendicke in kurzer Zeit ohne weiteren homogenisierenden Nachbehandlungsschritt der resultierenden Dielektrikumlage erreicht wird . Dad u rch, dass bei der Herstel l u ng einer jeweil igen d ielektrischen Schicht das im Wesentlichen flüssige Elastomer in der für die jeweilige Sch icht vorbesti m mten Dicke g rossfl äch ig u nd homogen direkt abgelegt wird, entfällt die Notwendigkeit der Rotation bzw. des Schleuderns für die Ausbildung sowohl der Schicht selbst als auch deren gewünschter Dicke, was die Produktionszeit erheblich verkürzt und die Produktionskosten erheblich senkt.
Ohne Rotation wiederum muss eine frisch ausgebildete Dielektrikumlage nur geringfügig soweit vernetzt werden, dass sie die ihr zugeord nete Elektrodenschicht tragen kan n, da d ie erhebl iche Beanspruchung durch die Rotation bei der Ausbildung der nächsten Schicht entfällt. Dadurch verkürzt sich die Produktionszeit zusätzlich. Durch die genannte Ablage der dielektrischen Schichten wird eine Massenproduktion von schichtweise hergestellten Aktoren mit auch komplexem Aufbau möglich. Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt eine Suspension zu schaffen, in welcher elektrisch leitfähige Partikel homogen und klumpenfrei gelöst sind, sodass sich beim Auftragen der Suspension homogene und klumpenfreie Elektrodenlagen ausbilden lassen. Dies ist zur Sicherstellung der elektrischen Leitfähigkeit der einzelnen Elektrodenlagen, der Überschlagssicherheit, der reproduzierbaren Herstellung sowie der Ansprechbarkeit des dielektrischen Elastomerstapelaktors besonders wichtig.
Eine weitere Aufgabe liegt in der vereinfachten Erstellung von Kontaktleitungen, welche ausschliesslich die jeweils ersten oder zweiten Elektrodenlagen miteinander verbinden, wobei eine Flexibilität der Kontaktleitungen erreicht wird .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert.
Figur la zeigt einen Aufbau zum Aufbringen von Dielektrikumlagen aus Elastomeren mit einer Rastervorrichtung in einer schematischen perspektivischen Ansicht, während
Figur lb eine Schnittansicht eines Aufbaus gemäss Figur la in y- Richtung und
Figur lc eine Schnittansicht eines erzeugten quasi monolithischen dielektrischen Elastomerstapelaktors mit n = l l Dielektrikumlagen und zwischenliegenden Elektrodenlagen zeigt.
Figur 2a zeigt einen Stapel eines hergestellten Aktors nach der
Fertigstellung der ersten Dielektrikumlage, während
Figur 2b den Stapel des Aktors von Fig . 2a nach Fertigstellung der ersten Elektrodenlage und
Figur 2c den Stapel des Aktors von Fig . 2a nach Fertigstellung der zweiten Dielektrikumlage, jeweils in perspektivischer Ansicht zeigt.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht eines erzeugten quasi monolithischen dielektrischen Elastomerstapelaktors mit n = l l Dielektrikumlagen und zwischenliegenden Elektrodenlagen, wobei eine Injektionsnadel, sowie ein erzeugter Verbindungskanal den Elastomerstapelaktor querend gezeigt sind, während
Figur 4 einen Elastomerstapelaktor mit zwei Dielektrikumlagen perspektivisch zeigt, wobei Kontaktlaschen der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage, zur Verbindung dargestellt sind, durch welche Verbindungskanäle gestochen werden.
Beschreibung
In Figur la ist eine Vorrichtung umfassend eine Substrathalterung 1 und eine Rastervorrichtung 2 schematisch perspektivisch dargestellt. Die Rastervorrichtung 2 umfasst hier zwei Längsschienen 22 und einen darin in der x-Richtung bewegbaren Querträger 23. Auf den Längsschienen 22 ist der Querträger 23 längs verfahrbar angeordnet.
Am Querträger 23 ist ein Elastomerbeschichtungskopf 20 als Ausbringeinheit befestigt, welcher in einer y-Richtung und einer z- Richtung relativ zum Querträger 23 bewegbar gelagert ist. Die x-, y- und z-Richtung sind orthogonal zueinander ausgerichtet. Ein Vorratsbzw. Mischbehälter (nicht dargestellt) für auszubringendes flüssiges Elastomer ist im oder am Elastomerbeschichtungskopf 20 vorgesehen, a u s welchem mindestens ein flüssiges Elastomer aus dem Elastomerbeschichtungskopf 20 abgebbar ist.
Durch eine Beschichtungsdüse 21 wird auf dem statisch gehaltenen Substrat ein Fil m aus fl üssigem Elastomer abgelegt, wobei d urch geeignetes Verfahren des Elastomerbeschichtungskopfes 20 zusammen mit der Ansteuerung der Beschichtungsdüse 21 eine beliebige Kontur in x- und y-Richtung der abgelegten Elastomerschicht erzeugt werden kann.
Mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung und Antriebseinrichtung ist der Elastomerbeschichtungskopf 20 in kontrollierten Höhen (in z- Richtung) über die örtlich fixierte Substrathalterung 1 reproduzierbar gesteuert führbar. Ohne, dass der Elastomerbeschichtungskopf 20 die Substratoberfläche berührt, kann das Elastomer berührungslos aufgebracht werden.
Weggelassen in der Figur la ist eine Bearbeitungsstation mit einer geeigneten Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine IR - oder UV - Quelle zur Vernetzung der abgelegten Dielektrikumlagen 40, sowie eine weitere Bearbeitungsstation, in welcher Elektrodenlagen aufgebracht werden können.
Bevorzugt ist die Substrathalterung als mobile Unterlage ausgebildet, auf welcher der herzustellende Aktor der Rastervorrichtung 2 entnommen und zu einer UV -Quelle bzw. einer Station zur Aufbringung der Elektrodenschichten und schliesslich zur Vernetzung durch beispielsweise Wärmezufuhr (z. B. einem Ofen) und/oder Bestrahlung gebracht werden kann. Während des Aufbringens des flüssigen Elastomers und der Herstellung von Elektrodenlagen verbleibt das Substrat bevorzugt in Ruhe.
Am Elastomerbeschichtungskopf 20 ist die Beschichtungsdüse 21 befestigt, mittels welcher eine kontrol l ierte Menge des fl üssigen Elastomers auf die Substrathalterung 1 bzw. auf die jeweils der Beschichtungsdüse 21 direkt zugewandten nächstliegende Substratoberfläche in zweidimensionaler Ausdehnung abgelegt werden kann. Die Beschichtungsd üse 21 weist Aufweitmittel auf, welche entweder an der Beschichtungsdüse 21 angeformt oder lösbar oder unlösbar befestigt sind . Durch die Aufweitmittel wird der austretende Materialstrahl gezielt in eine Richtung aufgeweitet. Hier ist die spezielle Gestaltung der Düsenöffnung so gewählt, dass ein gewünschtes Aufweiten erreicht wird . Die hier dargestellte Beschichtungsdüse 21 weist eine schlitzförmige Düsenöffnung 210 auf. Dabei wird die Düsenöffnung 210 von einer Düsenöffnungslänge I , s i c h i n y-Richtung erstreckend und einer Düsenöffnungsbreite b, in x-Richtung erstreckend, definiert. Dabei ist die Düsenöffnungslänge I um ein Vielfaches grösser gewählt als die Düsenöffnungsbreite b. Dam it wi rd eine gewünschte gleichmässige Beschichtung bzw. ein Ablegen des viskosen flüssigen Elastomers auf das Substrat in nahezu zweidimensionaler Ausdehnung erreicht. Durch das gerasterte Verfahren des Elastomerbeschichtungskopfes 20 ist das Elastomer streifenweise in x-Richtung aufgrund der festen Düsenöffnungsbreite b in Bahnen auslegbar, wobei die einzelnen Bahnen ebenfalls feste Breiten und eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweisen, womit nach einer flächigen Bedeckung eine Dielektrikumlage 40 mit definierter Lagendicke d (siehe Fig . lc) erreichbar ist.
Entscheidend ist die Ausgestaltung des Elastomerbeschichtungskopfes 20 m it Aufweitmitteln, die eine flächige nahezu zweidimensionale homogene Ablage von möglichst breiten Streifen des Elastomers erlauben. Der Materialstrahl des Elastomers muss dazu in definierten Höhen h flächig zweidimensional in einer Richtung (beispielsweise der Y-Richtung) verbreitert schichtweise ausgelegt bzw. abgelegt werden.
Dies kann neben einer oben beschriebenen schlitzförmigen Beschichtungsdüse 21 auch mit einer Düse mit kreisförmiger Öffnung, welche mit Aufweitmitteln wirkverbunden ist, geschehen. Als weiteres Aufweitmittel kann ein beabstandet angeordneter Trichter oder ein schräg angeordnetes Blech mit einer Aufweitung in y-Richtung dienen, auf welches das Elastomermaterial auftrifft und verteilt wird, bevor es auf das Substrat geleitet als verbreiterter Flüssigkeitsstrahl auftrifft.
Du rch d ie Ste u erei n ri chtu n g ist d ie g esteuerte Bewegung der Rastervorrichtung 2, des Elastomerbeschichtungskopfes 20 und damit der Beschichtungsdüse 21 in einer kontrollierbaren fixierten Höhe h (in z-Richtung) zur jeweils obersten Lage des Substrates erreichbar. Damit i st d a s A b l e g e n vo n D i e l e ktrikumlagen 40 und die Bildung reproduzierbarer Lagendicken d möglich.
Wie in Figur lc erkennbar weist ein fertiger DEA 4 eine sandwich- Struktur aus erster Elektrodenlage 41, Dielektrikumlage 40 und zweiter Elektrodenlage 42 auf. Ein fertiger Elastomerstapelaktor 4 kann beidseitig Abschlussflächen in Form von Dielektrikumlagen 40 oder Abschlussflächen in Form jeweils einer Elektrodenlage 41, 42 aufweisen. Die Elektrodenlagen 41, 42 können auf verschiedene Arten a uf der jewei l igen Dielektri ku m l age 40 a ngeordnet werden. Die Elektrodenlagen 41, 42 umfassen elektrisch leitfähige Materialpartikel aus Metall oder Kohlenstoffpartikel. Dabei weisen die dargestellten Elektrodenlagen 41, 42 Elektrodenlagendicken e, e' auf. Nach dem schichtweisen Aufbau des dielektrischen Elastomerstapelaktors 4 erfolgt die Kontaktierung der ersten Elektrodenlagen 41 mit einer Anschlussleitung 43, getrennt von der Kontaktierung der zweiten Elektrodenlagen 42 mit Anschlussleitungen 43. Dadurch ist jede übernächste Elektrodenlage 41, 42 mittels Anschlussleitungen 43 an einen Pol einer Spannungsquelle anschliessbar. Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte laufen unter Reinraum- oder Reinstraumbedingungen und bei ortsfest gehaltener Substrathalterung 1 bzw. örtlich fixiertem ruhenden Substrat ab. Versuche haben gezeigt, dass die Reinraumbedingungen mindestens der Klasse 100 (US FED STD 209E) bzw. der Klasse IS05 (ISO 14644-1) entsprechen sollten, u m hoch reine Lagen zu erzeugen . Die Ra u mtem peratu r u nd der vorherrschende Luftdruck liegen üblicherweise im Bereich von 25°C u nd bei Atmosphärend ruck. Entscheidend ist a ber vor a l lem d ie Reinheit der Luft. Figur 2a zeigt eine aus einem Elastomer gebildete erste Dielektriumlage 40 eines herzustellenden dielektrischen Elastomerstapelaktors 4 (Figur lc), wie sie durch den Elastomerbeschichtungskopf 20 auf dem ruhenden Substrat abgelegt worden ist. Die erste Dielektriumlage 40 bleibt auf dem Substrat ohne Verschiebung so liegen, wie sie abgelegt worden ist - im Gegensatz zu m spi n coati n g - wird also statisch in der für die Schicht vorbestimmten Lagend icke d abgelegt. Durch Verwendung des Ablegens und der Aufweitm ittel können d ie Dielektriku mlagen 40 gezielt in nahezu beliebig geformtem Grundriss aufgebracht werden.
Nachdem die Dielektriumlage 40 vollständig abgelegt ist, erfolgt ein Vernetzungsschritt, der mit unterschiedlichen Vernetzungsgraden durch eine thermische Behandlung in einem Ofen oder durch UV- oder Infrarotbestrahlung stattfinden kann.
Anschliessend wird wie in Figur 2b dargestellt eine erste Elektrodenlage 41 bzw. zweite Elektrodenlage mit einer Elektrodenlagendicke e aufgebracht. Sobald die Elektrodenlage 41, 42 aufgebracht ist, kann die Ablage einer weiteren Dielektrikumlage 40 wie in Figur 2c gezeigt erfolgen. Dieser Vorgang wird entsprechend ei n ige d utzend bis h u nderte von M alen wiederh olt, wod u rch ei n Elastomerstapel wie in Figur lc gezeigt erzeugt wird, welcher nach Kontaktierung von Anschlussleitungen 43 den fertigen dielektrischen Elastomerstapelaktor 4 bildet.
Als elektrisch leitfähige Materialpartikel kommen Kohlenstoffpartikel in unterschiedlichen Strukturformen in Frage, aber auch Metallpartikel . Verwend bare Material partikel weisen eine Grösse von weniger als einem Mikrometer auf. Als Elektrodenmaterial kann Graphitpulver, g ra ph itha ltige Paste oder leitfäh iger Russ a uf d ie jewei ls vo ra b erzeugte Dielektrikumlage 40 bei Reinraumbedingungen aufgebracht werden. Es können neben Kohlenstoff-Nanoröhren Silber nano-wire und andere Materialpartikel mit Abmessungen kleiner als ein Mikrometer verwendet werden. Vorteilhaft ist die Verwendung von Materialpartikeln in Form von Nanopartikeln und damit Grössen von kleiner gleich 100 Nanometern.
Um die Elektrodenlagen 41, 42 aufzubringen werden die elektrisch leitfähigen Materialpartikel in einer Trägersuspension gelöst. Ein Flüssigkeitsstrahl der Trägersuspension mit darin gelösten Materialpartikeln wird mittels Piezoantrieb gesteuert, wobei zwischen tropfenweisem und strahlweisem Auslass gewählt werden kann. Durch die Steuerbarkeit unterschiedlich hoher Durchflüsse der Trägersuspension kann der Materialauftrag auf die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden.
Beispiel:
Gute Ergebnisse homogener Dielektrikumlagen 40 mit geeigneter Lagendicke d wurden unter Verwendung einer Schlitzdüse 21 als Beschichtungsdüse 21 erreicht. Zur Erreichung von Lagendicken d der Dielektrikumlagen 40 von 40pm wurden die folgenden Parameter verwendet:
- Düsenöffnungslänge I der verwendeten Schlitzdüse 21 : 40 mm
- Düsenöffnungsbreite b der verwendeten Schlitzdüse 21 : 50pm - Viskosität des Elastomers ( SEMICOSIL 945UV A/B von der Wacker
Chemie AG) : 1000 mPa.s
- Vorschubgeschwindigkeit des Elastomerbeschichtungskopfes 20 bzw. der Schlitzdüse 21 relativ zur Unterlage: 2 mm/s
- Höhe h der Düsenöffnung 210 von der jeweils der Schlitzdüse 21 direkt zugewandten Substratoberfläche: 60pm
- Durchfluss des Elastomers durch die Schlitzdüse 21 : 3,2 μΙ/s
Bei Verwendung einer schlitzförmigen Beschichtungsdüse 21 sollte die Düsenöffnungslänge I wesentlich mindestens hundertmal grösser als deren Düsenöffnungsbreite ausgeführt sein.
Durch die Steuerung mittels Rastervorrichtung 2 kann Elastomermaterial in der Art eines Plotters auf das Substrat abgelegt werden. Damit dies exakt funktionieren kann muss die Auslassgesch wi n d i g ke it d es Elastomers auf die jeweilige Vorschubgeschwindigkeit angepasst sein. Optional kann eine Mehrzahl von Elastomerbeschichtungsköpfen 20 mit jeweils einer Beschichtungsdüse 21 an der Rastervorrichtung 2 befestigt sein, um die parallele gleichzeitige Herstellung einer Mehrzahl von Dielektrikumlagen 40 zu erreichen.
Als Elastomermaterial werden Silikone, 1- oder 2-Komponenten- Silikonkautschuke oder Acryle verwendet werden, welche entsprechend durch Bestrahlung und/oder thermische Energie vernetzen. Die Viskosität des verwendeten Elastomermaterials sollte bei kleiner gleich 1500 mPas liegen, damit ein ausreichend zügiges Aufbringen des Elastomermaterials durchführbar ist.
Durch geeignete Wahl der Parameter Abstand der Düsenöffnung 210 vom Substrat, Austrittsgeschwindigkeit des zu vergiessenden Elastomers und Vorschubgeschwind ig keit des
Elastomerbeschichtungskopfes 20 lassen sich Dielektrikumlagen 40 mit einer Dicke von 30 pm oder weniger, bevorzugt mit einer Dicke zwischen 10 pm und 20 pm herstellen. Generell ist es für die Bildung einer einwandfreien Schicht vorteilhaft, dass der Abstand der Düsenöffnung zur Unterlage im Bereich vom 1,5 fachen der Schichtdicke gehalten wird. Je nach der Viskosität des flüssigen Elastomers kann der Fachmann aber einen anderen Abstand vorsehen. Ebenso kann der Fachmann bei der Verwendung eines anderen Parameterwertes gegenüber den oben aufgelisteten Werten die restlichen Werte entsprechend einstellen.
Der hergestellte dielektrische Elastomerstapelaktor 4 kann auch als Sensor, oder auch als Aktor und Sensor gleichzeitig, eingesetzt werden, indem dessen Auswertelektronik, mit der er betriebsfähig verbunden ist, auf Grund eines aktuellen Verformungszustands des Aktors ein entsprechendes Signal generiert, welches geeignet ausgewertet werden kann. Dazu kann der Betriebsspannung des Aktors beispielsweise mit einer hochfrequenten Wechselspannung überlagert werden, wobei über diese eine der aktuellen Verformung des Aktors entsprechende Impedanz durch die Auswertelektronik detektierbar ist.
Nach dem Wissen der Anmelderin sind bisher solche mehrlagigen Systeme bestehend aus dünnen inkompressiblen Elastomerlagen mit einem Elastomerbeschichtungskopf 20, umfassend eine Bechichtungsdüse 21 mit Aufweitmitteln nicht verwendet worden. Derartige Anordnungen galten generell als ungeeignet. Lange Prozesszeiten, wie sie beim Ablegen von mehreren hundert bis mehreren tausend Dielektrikumlagen auftreten, haben bislang zum Einsatz von Rotationsbeschichtungsverfahren geführt. Suspension zur Herstellung der Elektrodenlagen
Zur Herstellung der elektrisch leitfähigen homogenen Elektrodenlagen
41, 42 wurde eine Suspension, umfassend einen Kolloidanteil elektrisch leitfähiger Materialpartikel, welche in einem wasserlöslichen
Lösungsmittel dispergiert sind, verwendet, welche auf die Elastomeroberfläche gegeben wird.
Es wurden Karbon-Nano-Partikel unter der Bezeichnung "Ketjenblack 600 " m i t e i n e m L ö s ungsmittel vermischt, das SodiumDodecylBenzeneSulfonat ("SDBS") enthielt, um eine gleichförmige Verteilung der Karbon-Nano-Partikel in der resultierenden Suspension sicherzustellen. Zusätzlich wurde der Suspension Isopropanol hinzugefugt, um die Benetzbarkeit mit dem Aktormaterial sicher zu stellen. Die Zubereitung dieser Suspension wurde wie folgt vorgenommen: lg Ketjenblack 600 wurde in 125g Isopropanol und 2,5g SDBS gelöst. Dabei wurde das SDBS abgewogen, danach im Isopropanol im Ultraschallbad während ca.5 bis 10 Minuten gelöst. Die separat abgewogenen Kohlenstoffnanopartikel wurden danach zur Lösung im Ultraschallbad während weiteren mindestens 15 Minuten dazu gegeben.
Versuche haben gezeigt, dass ein Lösungsmittel umfassend Alkylbenzolsulfonate, insbesondere mindestens ein lineares Alkylbenzolsulfonat und insbesondere SodiumDodecylBenzeneSulfonat bzw. Natriumdodecylbenzolsulfonat umfassend zu besonders guten Ergebnissen führt.
Geeignete Suspensionen umfassten einen Kolloidanteil von 0.2 bis 2 Gew. %, einen Anteil des wasserlöslichen Lösungsmittels von 93 bis 98.8 Gew. % und einen Anteil des Additivs von 1 bis 5 Gew. %.
Neben elektrisch leitenden Partikel aus Kohlenstoff, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröh ren , Koh lenstoff-Nanostäbe, Fullerene oder Graphen umfassende Partikel, können metallische Partikel in Form von metallischen Nanoröhren, Nanostäben oder Nanodrähten verwendet werden.
Applikation der Suspension
Die Suspension wird in einem geschlossenen Behälter aufbewahrt, welches sich ausserhalb der Herstellanlage befindet. Unweit davon ist eine kommerziell erhältliches Dosierventil (Nordson EFD 781 RC plus Backpack Ventilauslöser) auf der Herstellanlage angebracht, welches mit der Rastervorrichtung 2 in alle 3 Richtungen bewegt werden kann . Das System bei n ha ltet zu dem ei ne U mwä lzpu m pe, wel ches d ie Suspension aus dem Behälter in das Dosierventil und wieder zurückpumpt, wodurch ein stetiger Fluss der Suspension in einem geschlossenen Kreislauf auch im ausgeschalteten (stand by) Zustand des Dosierventils aufrechterhalten wird . Diese andauernde Umwälzbewegung dient zur Vermeidung von Agglomeration sowie Sedimentation der Feststoffe (leitfähigen Partikel).
Während der Applikation der Elektrode wird die Düsenöffnung sehr nahe (ca. 50um) über der vorgängig aufgebrachten Dielektrikumlage 40 geführt. In dieser definierten Höhe über dem Substrat wird die Düsenöffnung in der Ebene (x-y-Richtung) bewegt, um die Suspension in einer gewünschten Form und Grösse aufzutragen. Die grösstmögliche Düsenöffnung in Form einer Dosiernadel, bei welcher kein ungewolltes Nachtropfen erfolgt, hat einen Innendurchmesser von <= 0.41mm sowie eine Nadellänge von > = 12.7mm. Dadurch ergibt sich eine maximale Vorschub- Geschwindigkeit der Düsenöffnung von bis zu 400mm/s. Hierbei beträgt der Volumenstrom der Suspension bis zu 8mm3/s.
Während dem Auftrag bildet sich zwischen Düsenöffnung und jeweiligem Substrat ein fortlaufender Tropfen, wobei ein Teil des Tropfens durch die Bewegung der Düsenöffnung auf der Oberfläche des Substrates liegen bleibt. Dadurch bildet sich eine ca. 10 - 20 pm dicke (nass) und 1mm breite Spur aus. Die Verteilung der Spur wird im Wesentlichen durch die Oberflächenspannung des Substrates sowie durch die Eigenschaft des verwendeten Lösungsmittels bestimmt. Der Abstand der einzelnen Bahnen der abgelegten Suspension wird so gewählt, dass die nächste benachbarte Bahn die bereits abgelegte Bahn geringfügig überlappt (< 0.1 mm). Dadurch wird eine elektrische Verbindung zwischen den Bahnen geschaffen und gleichzeitig eine erneute Ablösung verhindert, welches zu einer leitfähigkeitsvermindernden Kraterbildung der bereits applizierten Elektrode führen würde. Spätestens 30 Sekunden nach dem Auftrag ist das Lösungsmittel verdampft (bei Raumtemeratur) und es verbleiben nur noch die leitfähigen Partikel auf dem Substrat zurück mit einer Schichtdicke < 2μ Γη . Durch eine wesentlich schnellere, z. B. durch lokale Erwärmung beschleunigte, Verdampfung bleiben die Partikel homogen auf der Oberfläche verteilt. Elektrisch leitende Verbindung der Elektrodenlagen
In einer speziellen Ausführungsform werden die elektrisch mit einander zu verbindenden Elektrodenlagen 41, 42 über eine durch den Körper des Stapels hindurch erfolgende Injektion aus leitendem Material 51 jeweils miteinander innerhalb des dielektrischen Elastomerstapelaktors 4 verbunden, was in Figur 3 gezeigt ist. Als zu injizierendes elektrisch leitendes Material kann eine Mischung aus elektrisch leitenden Partikeln gemischt mit einem Elastomer oder mit einem Lösungsmittel verwendet werden. Das leitende Material 51 wird je nach Art des leitenden Materials 51 nach der Injektion entweder vernetzt oder trocknet durch Verflüchtigung des Lösungsmittels.
Dadurch ergibt sich eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenlagen 41, 42 die im Gegensatz zu den im Stand der Technik verwendeten starren Drähten beweg l ich ist, da mit den d u rch den Betrieb bedingten Bewegungen des Aktormaterials folgen kann und so dessen Versch leiss verhindert u nd d ie Kontaktbed ing ung erhalten bleiben, was die Lebensdauer des Elastomerstapelaktors 4 erhöht. Wenn leitfähiges Material umfassend ein Elastomer verwendet wird, wird das injizierte Material vernetzt, wodurch flexible Zuleitungen resultieren.
Wie bereits erwähnt können elektrisch leitfähige Nanopartikel aus Kohlenstoff oder aus Metallen verwendet werden, welche mit einem Elastomer oder einem Lösungsmittel vermischt eine fliessfähige und damit injizierbare Suspension ergeben. Zur Herstellung von Verbindungskanälen 50 den Elastomerstapelaktor 4 querend zwischen den Elektrodenlagen 41, 42 unterschiedlicher Polarität verlaufend, wird eine Injektionsnadel 5 verwendet. In einem ersten Schritt wird der Elastomerstapelaktor 4 in Richtung Längsachse L etwa normal zur Ebene der Elektrodenlagen 41, 42 bzw. der Dielektrikumlagen 40 in Richtung Substrathalterung 1 durchstochen, womit Verbindungskanäle 50 den Elastomerstapelaktor 4 mindestens teilweise querend erzeugt werden.
Beim Herausziehen der Injektionsnadel 5, also der Entfernung von der Substrathalterung 1 wird das leitende Material 51 in die Verbindungskanäle 50 eingespritzt und damit die Verbindungskanäle 50 mit dem leitfähigen Material 51 verfüllt.
Die Erstellung von Verbindungskanälen 50, sowie das Verfüllen kann nach jedem Aufbringen einer weiteren oder mehreren Dielektrikumlagen 40 bzw. jeder weiteren oder mehreren Elektrodenlagen 41, 42 erfolgen, oder bevorzugt nach Fertigstellung des vollständigen dielektrischen Elastomerstapelaktors 4.
Die so zwischen den zugeordneten Elektrodenlagen 41, 42 gebildete elektrische Verbindung ist schlussendlich gesteigert elastisch beweglich, im Gegensatz zu dem im Stand der Technik üblichen Draht, dauerfest und schont damit das umgebende Material, was eine lange Lebensdauer des Aktors 4 unterstützt.
Wen n ei n Lösu ngsm ittel zu r Bi l d u ng des leitenden M ateria ls 51 verwendet wird, sollte das Lösungsmittel die leitfähigen Partikel als auch das Elastomer der Dielektrikumlagen 40 benetzen, u m ei ne einwandfreie Funktion des in die Kanäle 50 verfüllten Materials 51, und damit des Elastomerstapelaktors 4 sicherzustellen. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels bzw. der Vernetzung des Gemisches a us El asto mer u nd leitfä h igen Pa rti kel n verbleibt eine flexibel bewegbare Verbindung, flexible Kontaktleitungen zwischen den ersten und zweiten Elektrodenlagen 41 , 42, umfassend leitfähige Partikel innnerhal b der Verbindungska nä le 50 bestehen. Ausserhalb des dielektrischen Elastomerstapelaktors 4 werden die flexiblen Kontaktleitungen mit den externen Anschlussleitungen 43 verbunden, mittels welchen die Elektrodenlagen 41, 42 dann mit elektrischer Spannung beaufschlagbar sind.
Der resultierende dielektrische Elastomerstapelaktor 4 kann auch als Sensor oder als Aktor und Sensor gleichzeitig, eingesetzt werden, indem dessen Auswertelektronik, mit der er betriebsfähig verbunden ist, auf Grund eines aktuellen Verformungszustands des Elastomerstapelaktors 4 ein entsprechendes Signal generiert, welches geeignet ausgewertet werden kann. Dazu kann die Betriebsspannung des Aktors beispielsweise mit einer hochfrequenten Wechselspannung überlagert werden, wobei über diese eine der aktuellen Verformung des Aktors entsprechende Impedanz durch die Auswertelektronik detektierbar ist.
Um die Erzeugung von Verbindungskanälen 50, die spätere Injektion von leitfähigem Material 51 und das damit verbundene Auffüllen der Verbindungskanäle 50 derart durchführen zu können, dass jeweils alle ersten Elektrodenlagen 41 und zweite Elektrodenlagen 42 miteinander leiten d verbi nd bar si nd , müssen die Elektrodenlagen 41, 42 entsprechend ausgebildet sein. Wie in Figur 4 verdeutlicht, sind an den ersten Elektrodenlagen 41 Kontaktlaschen 410 und an den zweiten Elektrodenlagen 42 Kontaktlaschen 420 angeordnet. Beim Durchstechen der Injektionsnadel 5 senkrecht zur Substrathalterung 1 in Richtung der Längsachse L durch Durchstechpunkte A, A\ welche in der Projektion in Richtung Lä n g sa chse L jeweils oberhalb der Kontaktlaschen 410 oder 420 liegen, sind somit Verbindungskanäle 50 erzeugbar, welche nur die gewünschte Kontaktlasche in jeder jeweils übernächsten Elektrodenlage durchstossen . Beim späteren Auffüllen der Verbindungskanäle 50 sind somit nur die gewünschten ersten oder zweiten Elektrod en l agen 41 , 42 m itei n a n der elektrisch leiten d verbindbar. Bevorzugt ist das leitende Material 51 ein mit leitenden Partikeln gefülltes Elastomer. Solche leitenden Partikel können aus Kohlenstoff bestehen oder auch metallisch sein. Insbesondere können die leitenden Partikel Graphenstrukturen, Kohlenstoff Nanoröhren, Kohlenstoff Nanostäbe oder metallischen Nanoröhren, Nanostäbe oder Nanodrähte aufweisen.
Eine Vermischung solcher Partikel mit einem unvernetzten Elastomer erg i bt ei n leiten des M ateri a l 51 , wel ches ei ne fl iessfä h ige u n d injizierbare Flüssigkeit bildet.
Besonders günstig ist es, wenn die leitenden Partikel ihrerseits aus demselben Material bestehen, durch welches die Elektrodenlagen 41, 42 gebildet sind und/oder das verwendete Elastomer dasselbe ist, wie es für die Dielektrikumlagen 40 verwendet wird um die Kompatibilität der Elektrodenlagen 41, 42 und den flexiblen Kontaktleitungen sicher zu stellen.
Neben der oben beschriebenen einstufigen Erstellung von Kontaktleitungen ist ein zweistufiger Vorgang möglich.
Beim einstufigen Prozess wird durch das Einstechen der bereits mit leitendem Material 51 gefüllten Injektionsnadel 5 in den Stapel ein Verbindungskanal 50 gebildet, wobei Material des dielektrischen Elastomerstapelaktors 4 verd rängt wird . Bei m Herausziehen der Injektionsnadel 5 wird gleichzeitig das leitende Material 51 in den Verbindungskanal 50 injiziert. Der Verbindungskanal 50 verschliesst sich durch die verdrängungsbedingte mechanische Spannung soweit bis das Kanalvolumen der Abfüllmenge entspricht. So werden die durchtrennten Elektrodenlagen 41, 42 systembedingt im gesamten Kanalumfang an das leitende Material 51 angepresst was eine zuverlässige Kontaktierung zwischen leitendem Material 51 und Elektrodenlagen 41, 42 ergibt. Beim zweistufigen Prozess wird in einem ersten Schritt mit einer Schneidnadel durch Einstechen und Durchstechen der Schneidnadel durch den dielektrischen Elastomerstapelaktor 4 Material aus diesem herausgetrennt, welches sich im Inneren der Schneidnadel ansammelt und beim anschliessenden Herausziehen der Schneidnadel aus dem Stapel entfernt wird . Im Gegensatz zum einstufigen Prozess bleibt hier der Verbindungskanal 50 nach der Erstellung geöffnet.
In einem anschliessenden Schritt wird das leitende Material 51 nach Einführen der Injektionsnadel 5 in den offenen Verbindungskanal beim anschliessenden Herausziehen in den Verbindungskanal abgefüllt. Die Abfüllmenge muss mindestens dem Kanalvolumen entsprechen dass eine zuverlässige Kontaktierung zwischen leitendem Material 51 und den Elektrodenlagen 41, 42 gegeben ist.
Sowohl bei der ein-, als auch der zweistufigen Methode wird im Anschluss an die Injektion das leitende Material 51 zum Beispiel durch Erwärmung vernetzt oder das Lösungsmittel abgedampft. Bei Verwendung des Elastomers als Teil des leitenden Materials 51 wird durch die Vernetzung eine mechanische Verbindung zwischen dem dielektrischen Elastomerstapel 4 und den flexiblen Kontaktleitungen erreicht.
Implementierung :
Als leitendes Material 51 wird typischerweise ein mit Carbon Black gefü l ltes zwei ko m po nenti ges Si l i ko nel astomer verwen d et. Zu r Anwendung kommen Wacker Elastosil RT 745, sowie Akzo Nobel Ketjenblack EC-600JD. Dieses vernetzt bei Raumtemperatur. Sowohl die Schneidnadel als auch die Injektionsnadel sind auf der Herstellanlage angebracht, welche mit der Rastervorrichtung 2 in alle 3 Richtungen im Raum bewegt werden können. Dadurch lassen sich die Verbindungskanäle 50 bzw. die flexiblen Kontaktleitungen mit höchster Präzision an der gewünschten Position anbringen. Als Schneidnadel wird eine Biopsienadel aus dem Medizinalbereich verwendet. Diese hat einen Aussendurchmesser von 4 mm, Innendurchmesser von 3 mm und eine Länge von 125mm, wobei die Schneidnadel zur Erhöhung der Präzision gekürzt werden kann.
Die Schneidnadel wird mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 m/s in den dielektrischen Elastomerstapelaktor 4 gestochen. Dabei verformt sich dieser so dass je nach Materialeigenschaften ein kreisrunder Kanal mit einem Durchmesser < 1 mm ausgeschnitten wird.
Die Injektionsnadel 5 ist auf eine mit leitendem Material 51 gefüllte Kartusche aufgesetzt. Ein per Spindelmotor getriebener Kolben in der Kartusche kann das leitende Material 51 unter hohem Druck durch die Injektionsnadel 5 pumpen, was auch die Verarbeitung hochviskoser Flüssigkeiten bei Verwendung dünner Injektionsnadeln 5 zulässt. Typischerweise wird bei Verwendung eines leitenden Materials 51 umfassend mit leitfähigen Partikeln gefüllten Silikonelastomer mit einer Fliessviskosität > 10000 mPa s eine Injektionsnadel 5 mit 0.8 mm Innendurchmesser und einer Länge von 20 mm verwendet.
Bevorzugt wird die Erstellung der flexiblen Kontaktleitungen, nach der Herstellung des dielektrischen Elastomerstapelaktors 4 gemäss oben beschriebenen Verfahren und der Verwendung von Aufweitmitteln und/oder bei Verwendung einer Suspension zur Erzeugung von homogenen Elektrodenlagen wie beschrieben durchgeführt. Bezugszeichenliste
1 Substrathalterung
2 Rastervorrichtung
20 Elastomerbeschichtungskopf
21 Beschichtungsdüse
210 Düsenöffnung
I Düsenöffnungslänge
b Düsenöffnungsbreite
h Höhe der Beschichtungsdüse zur zu beschichtenden Oberfläche
22 Längsschiene
23 Querträger
4 dielektrische Elastomerstapelaktoren / EAP-Stapel
40 Dielektrikumlage (1 bis n)
d Lagendicke
41 erste Elektrodenlage/positiv
410 Kontaktlasche
42 zweite Elektrodenlage/negativ
e Elektrodenlagendicke
420 Kontaktlasche
43 Anschlussleitungen (Spannungsversorgung bzw. Sensorleitungen)
5 Injektionsnadel
50 Verbindungskanal
51 leitendes Material
A, Ax Durchstechpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Elastomerbeschichtungskopf (20) mit einer Beschichtungsdüse (21), mittels welcher eine Elastomerschicht zur Formung einer Dielektrikumlage (40) eines dielektrischen
Elastomerstapelaktors (4) bzw. -sensors aufbringbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtungsdüse (21) mit Aufweitmitteln wirkverbunden ist, sodass ein aus einer Düsenöffnung (210) der
Beschichtungsdüse (21) austretender Materialstrahl in einer y-
Richtung aufweitbar ist, während der
Elastomerbeschichtungskopf (20) in eine x-Richtung bewegt wird . 2. Elastomerbeschichtungskopf (20) gemäss Anspruch 1, wobei das Aufweitmittel eine schlitzförmige Düsenöffnung (210) der Beschichtungsdüse (21) ist, die eine Düsenöffnungslänge (I) die grösser als eine Düsenöffnungsbreite (b) ist, aufweist. 3. Elastomerbeschichtungskopf (20) gemäss Anspruch 2, wobei die Düsenöffnungslänge (I) um ein Vielfaches grösser als die Düsenöffnungsbreite (b), bevorzugt mehr als hundertmal so gross ist. 4. Elastomerbeschichtungskopf (20) gemäss Anspruch 3, wobei die Düsenöffnungslänge (I) im Bereich von Millimetern und die Düsenöffnungsbreite (b) im Bereich von Mikrometern liegt.
5. Elastomerbeschichtungskopf (20) gemäss Anspruch 1, wobei die Aufweitmittel an die Beschichtungsdüse (21) von der
Düsenöffnung (210) beabstandet oder abstandslos angeformt oder mit ihr lösbar oder unlösbar verbunden sind, sodass die Aufweitung des Materialstrahls in einer bevorzugten Richtung (y) erreicht wird .
6. Verwendung von Aufweitmitteln zur Aufweitung eines aus einer Düsenöffnung (210) einer Beschichtungsdüse (21) austretenden Materialstrahls eines Elastomers zur schichtweisen Erzeugung von Dielektrikumlagen (40) eines dielektrischen
Elastomerstapelaktors (4) oder - sensors,
dadurch gekennzeichnet, dass der in eine y-Richtung aufgeweitete Materialstrahl auf einem Substrat, über welches die Beschichtungsdüse (21) mittels einer Rastervorrichtung (2) in einer x-Richtung bewegbar ist, ablegbar ist.
7. Verwendung gemäss Anspruch 6, wobei das Aufweitmittel eine schlitzförmige Düsenöffnung (210) der Beschichtungsdüse (21) ist, die eine Düsenöffnungslänge (I) die grösser als eine
Düsenöffnungsbreite (b) ist, aufweist.
8. Verwendung gemäss Anspruch 7, wobei die
Düsenöffnungslänge (I) um ein Vielfaches grösser als die Düsenöffnungsbreite (b), bevorzugt mehr als hundertmal so gross ist.
9. Verwendung gemäss Anspruch 7, wobei die
Düsenöffnungslänge (I) im Bereich von Millimetern und die Düsenöffnungsbreite (b) im Bereich von Mikrometern liegt.
10. Verwendung gemäss Anspruch 6, wobei Aufweitmittel an die Beschichtungsdüse (21) von der Düsenöffnung (210)
beabstandet oder abstandslos angeformt oder mit ihr lösbar oder unlösbar verbunden sind, sodass die Aufweitung des Materialstrahls in einer bevorzugten Richtung (y) erreicht wird .
11. Verwendung gemäss Anspruch 6, wobei der Abstand der
Düsenöffnung (210) zur Unterlage im Bereich des 1,5 fachen der abzulegenden Lagendicke (d) gehalten wird. 12. Suspension, umfassend einen Kolloidanteil elektrisch leitfähiger Materialpartikel, welche in einem wasserlöslichen Lösungsmittel dispergiert sind, zur Erstellung einer elektrisch leitfähigen homogenen Elektrodenlage (41, 42) auf der Elastomeroberfläche einer Dielektrikumlage (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension 1 bis 5 Gew. % eines Additivs, umfassend
Alkylbenzolsulfonate, umfasst.
13. Suspension gemäss Anspruch 12, wobei das Additiv ein lineares Alkylbenzolsulfonat ist.
14. Suspension gemäss Anspruch 12 oder 13, wobei das Additiv Natriumdodecylbenzolsulfonat ist.
15. Suspension gemäss einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Kolloidanteil 0.2 bis 2 Gew. % , der Anteil des wasserlöslichen Lösungsmittels 93 bis 98.8 Gew. % und der Anteil des Additivs 1 bis 5 Gew. % beträgt.
16. Verfahren zur Herstellung einer Suspension, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Vermischen eines Kolloidanteils, umfassend elektrisch leitfähige Materialpartikel mit einem Anteil eines wasserlöslichen Lösungsmittels und einem Anteil eines Additivs,
- Dispergieren der Anteile im Ultraschallbad für einige Minuten.
17. Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen zur Kontaktierung von ersten Elektrodenlagen (41) und/oder zweiten Elektrodenlagen (42) eines dielektrischen Elastomerstapelaktors (4), gekennzeichnet durch die Schritte:
- Erstellung von mindestens einem Verbindungskanal (50) durch Durchstechen des dielektrischen Elastomerstapelaktors (4) in Richtung einer Substrathalterung (1) parallel zur Längsachse (L), wobei Kontaktlaschen (410, 420) der ersten oder zweiten Elektrodenlage (41, 42) durchstochen werden und
anschliessendes
- vollständiges Auffüllen des mindestens einen
Verbindungskanals (50) mit einem elektrisch leitenden Material (51),
- Vernetzung bzw. Trocknung des elektrisch leitenden Materials (51) wodurch flexible Kontaktleitungen erzeugt werden und
- Befestigung von Anschlussleitungen (43) an den flexiblen Kontaktleitungen. Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen gemäss Anspruch 17, wobei die Erstellung des mindestens einen Verbindungskanals (50), sowie das Auffüllen des Verbindungskanals (50) durch Durchstechen und anschliessendes Zurückziehen einer mit leitendem Material (51) gefüllten Injektionsnadel (5)
durchgeführt wird, indem während des Zurückziehens der Injektionsnadel (5) aus dem Verbindungskanal (50) in Richtung weg von der Substrathalterung (1), gleichzeitig das elektrisch leitfähige Material (51) in den Verbindungskanal (50), diesen auffüllend eingespritzt wird und somit der Verbindungskanal (50) ausgefüllt wird . Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen gemäss Anspruch 17, wobei die Erstellung des mindestens einen Verbindungskanals (50) vorgängig mittels Schneidnadel erfolgt und der
Verbindungskanal (50) anschliessend mittels einer
Injektionsnadel (5) aufgefüllt wird .
20. Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen gemäss einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das leitende Material (51) ein Gemisch aus elektrisch leitfähigen Partikeln und einem
Elastomer oder einem wässrigen Lösungsmittel ist, sodass nach einer Vernetzung bzw. einer Trocknung eine flexible
Kontaktleitung resultiert.
21. Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen gemäss Anspruch 20, wobei die leitfähigen Partikel aus Kohlenstoff bestehen, bevorzugt Graphenstrukturen, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Kohlenstoff-Nanostäbe umfassen.
22. Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen gemäss Anspruch 20, wobei die leitfähigen Partikel metallisch sind, bevorzugt metallische Nanoröhren, Nanostäbe oder Nanodrähte umfassen.
23. Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen gemäss Anspruch 18 und/oder 19, wobei die Schneidnadel und/oder die
Injektionsnadel (5) mit einer Rastervorrichtung (2)
wirkverbunden ist und in alle drei Raumrichtungen bewegbar angeordnet ist.
24. Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen gemäss Anspruch 19, wobei die Schneidnadel mit einer Geschwindigkeit von bis zu einem Meter pro Sekunde den dielektrischen
Elastomerstapelaktor (4) eingestochen wird.
25. Erzeugung von flexiblen Kontaktleitungen gemäss einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei das leitende Material (51) identisch mit dem Material der Elektrodenlagen (41, 42) ist und/oder das für das leitende Material (51) verwendete Elastomer dem Elastomer der Dielektrikumlagen (40) entspricht.
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