Der Aerosol-Jet-Druck Dielektrischer Elastomere als additives Fertigungsverfahren für elastische mechatronische Komponenten Translated title: Aerosol jet printing of dielectric elastomers as an additive manufacturing process for elastic mechatronic components

Abstract

Wesentlicher Gegenstand der Dissertationsschrift ist die Erforschung eines neuartigen additiven Fertigungsansatzes zur Herstellung elastischer mechatronischer Komponenten. Es wird die Kombination von Variationen und Weiterentwicklungen des Aerosol-Jet-Druck Verfahrens zur Produktion gestapelter Dielektrischer Elastomere beschrieben. Den Rahmen eines prototypischen Anwendungsfalls zur Ableitung der notwendigen und wünschenswerten Eigenschaften solcher flexiblen mechatronischen Systeme und damit letztlich der Anforderungen an ein Fertigungsverfahren bilden nachgiebige und damit anpassungsfähige Robotersysteme. Deren makroskopisch wirksame Kinematiken und Wirkflächen vereinen einen Merkmalskatalog hinsichtlich ihrer grundlegenden Konzepte und ihrer Anforderungen an einen Fertigungsansatz, der zukünftig auch einen Übertrag der gewonnenen Erkenntnisse auf andere Anwendungsdomänen flexibler mechatronischer Systeme erlaubt. Die dargestellten Methoden zur Herstellung von flexiblen Elektroden, Silikon-Dielektrika und integrierter Aktoren und Sensoren umfassen zum einen den Multi-Aerosol-Druck von RTV2-Silikonen zur programmierbaren Fertigung von Silikonlagen mit Schichtdicken im Bereich von 10 µm und deren Stapelung zu Volumenkörpern mit mehreren hundert Lagen. Weiterhin werden neuartige Ansätze zum zeiteffizienten Aerosol-Jet-Druck von elastischen Elektrodenstrukturen auf der Basis von reduziertem Graphenoxid vorgestellt. Der deren Herstellung erfolgt mittels eines neuartigen Hybrid-Atomizers, der die pneumatische und die ultraschallbasierte Aerosolerzeugung kombiniert. Daneben wird der Direktdruck von gefüllten Polymermatrizen durch die Kombination von drei Aerosolströmen beschrieben. Mit diesen neuartigen Ansätzen wird die Herstellung von prototypischen elastischen mechatronischen Komponenten in einem integrierten Prozessgerät demonstriert.

Translated abstract

The main subject of the dissertation is the research on a novel additive manufacturing approach for the production of elastic mechatronic components. The combination of variations and further developments of the aerosol jet printing process for the production of stacked dielectric elastomers is described. The framework of a prototypical use case for deriving the necessary and desirable properties of such flexible mechatronic systems and thus ultimately the requirements for a manufacturing process is formed by compliant and thus adaptable robot systems. Their macroscopically effective kinematics and active surfaces combine a catalogue of characteristics which will also allow the transfer of the knowledge gained to other application domains of flexible mechatronic systems in the future. The methods presented for the production of flexible electrodes, silicone dielectrics and integrated actuators and sensors include, on the one hand, multi-aerosol printing of RTV2 silicones for the programmable production of silicone layers with layer thicknesses in the range of 10 µm and their stacking to form solid bodies with several hundred layers. Furthermore, novel approaches for time-efficient aerosol jet printing of elastic electrode structures based on reduced graphene oxide are presented. These are produced using a novel hybrid atomiser that combines pneumatic and ultrasonic-based aerosol generation. In addition, the direct printing of filled polymer matrices by combining three aerosol streams is described. With these novel approaches, the fabrication of prototype elastic mechatronic components in an integrated process device is demonstrated.