Реализация высокой степени растяжения гибкой волнистой цепи с помощью лазерной резьбы.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17745 (2022) Цитировать эту статью

664 доступа

Подробности о метриках

Растягивающаяся волнистая цепь является важным компонентом гибких устройств, которые имеют широкое применение в различных областях. В промышленной сфере способность цепи к растяжению является решающим фактором для гибких устройств. Таким образом, в этом исследовании предлагается метод лазерной резьбы для увеличения как степени растяжения, так и разрешения гибкого устройства. Результаты, полученные в результате эксперимента и анализа методом конечных элементов, подтверждают, что лазерная резьба по волнистому контуру увеличивает максимальную степень растяжения волнистого контура. Полученная аналитическая модель подтверждает, что лазерная резьба создает наклонное сечение волнистого контура и снижает изгибную жесткость криволинейной точки волнистого контура. Исследование также подтвердило, что вырезанная лазером канавка вызывает распространение трещины в вертикальном направлении по отношению к направлению цепи, так что вырезанная лазером волнистая цепь с меньшей вероятностью разъединится, чем невырезанная волнистая цепь. Из-за пониженной жесткости при изгибе и появления трещин волнистый контур растягивается больше, чем обычный нерезной волнистый контур.

Гибкие устройства широко применяются в области исследований носимых устройств1,2, мягкой робототехники3, биосенсоров4,5 и сбора энергии6. С другой стороны, в промышленной сфере практических применений мало; например, раскладной/складной дисплей7,8. Одним из многообещающих материалов для растягивающихся устройств является композит из металлических нанопроволок, который широко изучается в других местах9,10,11,12,13,14,15,16,17, однако при совершенствовании гибких устройств остаются вопросы структуры. Одной из типичных структур, используемых в гибких устройствах, является островная структура, предложенная Роджерсом и др. Жесткая часть этой конструкции расположена в центре и соединена с гибкой цепью 18,19,20,21,22. Поскольку жесткая часть этой структуры не способствует растяжению ячейки, способность цепи к растяжению является решающим фактором для гибких устройств. Различные структуры цепей, такие как киригами23,24, спираль25 и складки26,27,28, были разработаны для увеличения максимальной степени растяжения цепи; однако большинству из них требовались специальные технологии изготовления для достижения твердости при массовом производстве. 29. Плоская волнистая структура, разработанная Rogers et al. 30,31,32 — наиболее широко используемая конструкция, применяемая при массовом производстве гибких устройств. Однако у него также был компромисс между степенью растяжения и разрешением устройства33.

Чтобы увеличить степень растяжения и разрешение устройства, была предложена конструкция наклонной волнистой схемы33; однако их конкретная методология их внедрения в массовое производство еще не была предложена. В данном исследовании для увеличения способности к растяжению и разрешающей способности устройства предлагается метод лазерной резьбы изготавливать наклонный участок по волнистой схеме. Для проверки этого исследования были использованы экспериментальные методы и методы моделирования с математическим анализом.

Образец наклонного волнистого контура был изготовлен с использованием методов 3D-печати (Момент 160) и лазерной резьбы. Основа схемы для лазерной резьбы была подготовлена ​​путем печати образца волнистой основы, как показано на рис. 1а). Чтобы максимизировать абляцию лазера на 3D-печатной основе, для печати использовалась нить из полимолочной кислоты (PLA) черного цвета. Основание схемы было облучено лазером с длиной волны 365 нм, мощностью 1750 мВт и временем пятна на каждом участке 10 мс. Участок волнистой цепи показан на рис. 1а). После лазерной резки Au наносился на печатную волнистую схему методом ионного распыления (G20, GSEM), а их толщина составляла 2–5 мкм. В качестве матрицы, окружающей волнистый контур, был выбран ПДМС (Sylgard 184, Dow Corning), а соотношение их смешивания между основным материалом и отвердителем было установлено от 10 до 1. Первоначально смешанный ПДМС-отвердитель был помещен в вакуумную камеру для 1 ч при -0,08 МПа от стандартного давления для удаления пузырьков при перемешивании. Образец волнистой схемы, вырезанной лазером, был изготовлен путем заливки смеси ПДМС в форму для 3D-печати, как показано на рис. 1а). Толщина матрицы PDMS установлена ​​равной 4 мм.