การพัฒนากรรมวิธีการผลิตหุ่นยนต์นิ่มจากยางธรรมชาติ

Abstract

แนวโน้มของหุ่นยนต์นิ่มในปัจจุบันได้รับความสนใจโดยกลุ่มของวิศวกรและนักวิจัยทั่วโลก หัวใจหลักของการพัฒนาหุ่นยนต์นิ่ม คือการเลือกใช้วัสดุประเภทอีลาสโตเมอร์ ปัจจุบันหุ่นยนต์นิ่มถูกขึ้นรูปจากยางซิลิโคน ในงานวิจัยนี้นี้จึงใช้วัสดุทางเลือกน้ำยางธรรมชาติพรีวัลคาไนซ์ ในรูปแบบยางคอมปาวด์ระบบกำมะถัน การออกแบบแม่พิมพ์หล่อเบ้าจากการพิมพ์ต้นแบบรวดเร็ว ด้วยเทคนิค Fused Deposition Modeling (FDM) โดยใช้วัสดุ Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) และ Polycarbonate (PC) และใช้วัสดุ Hight temperature RGD525 สำหรับการพิมพ์แบบ Poly-Jetting (PJ) จากการทดสอบด้วยเทคนิค Differential scanning calorimetry (DSC) พบว่า ABS, PC และ RGD525 มีสมบัติทางความร้อนที่เหมาะสมสำหรับการใช้เป็นแม่พิมพ์ในการขึ้นรูปหุ่นยนต์นิ่มในช่วงอุณหภูมิ -20 ถึง 110 องศาเซลเซียส โดยทั่วไปกระบวนการหล่อยางซิลิโคนจะใช้วิธีการหล่อแบบประกบที่ใช้สมบัติการเซตตัวแบบไม่สมบูรณ์ (Semi-cure) ที่ทำได้ยากในน้ำยางธรรมชาติ ในการทดลองนี้จึงใช้กระบวนการหล่อแบบหักปลดแกน (Deduction core casting) ซึ่งเป็นวิธีการใหม่ที่เหมาะสมสำหรับการหล่อหุ่นยนต์นิ่มจากน้ำยางธรรมชาติ เมื่อพิจารณา Storage modulus ของยางพรีวัลคาไนซ์จากเทคนิค Dynamic mechanical Analysis (DMA) พบว่ามีค่า Tan delta น้อยกว่า 0.2 บ่งชี้ความเป็นอีลาสติกของหุ่นยนต์นิ่มที่หล่อจากน้ำยางธรรมชาติ จึงทดสอบพฤติกรรมการงอตัว (Bending behavior test) ของหุ่นยนต์นิ่ม โดยการวัดมุมที่โค้งงอจากการอัดอากาศตั้งแต่ 0 ถึง 40 มิลลิลิตร พบว่าหุ่นยนต์นิ่มที่ขึ้นรูปจากน้ำยางธรรมชาติ ให้การโค้งงอตั้งแต่ 0-90 องศาเซลเซียส ตามปริมาตรอากาศที่เพิ่มขึ้น ซึ่งให้ผลใกล้เคียงกับหุ่นยนต์นิ่มที่ขึ้นรูปจากยางซิลิโคนแบบทั่วไป

The trend of soft robots has received attention from engineers and researchers around the world. The key of soft robots development is the selection of elastomer materials. Nowadays, soft robots is cast using silicone rubber. Sulphur pre-vulcanize latex was utilized in this research. Rapid prototyping was used to design molds for the casting process. Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and polycarbonate (PC) were used as materials for the Fused Deposition Modeling (FDM) technique. High temperature RGD525 was used for the Poly-Jetting (PJ) technique. Differential scanning calorimetry (DSC) thermograms indicated that ABS, PC and RGD525 can be utilized to mold prototypes at the heat from -20 degree Celsius to 110° degree Celsius Generally, the molding process of soft robots with silicone rubber is done by semi-cured state layer casting which is not easy to process with natural rubber. In this experiment, the new deduction core casting, the most appropriate method, is applied to soft robots preparation. Storage modulus was measured by Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The results show that the Tan delta value is below 0.2 and demonstrates elastic properties of natural rubber soft robots. Consequently, the bending behavior of the soft robots was tested by measuring the bending angle with an air pressure from 0 to 40 ml. The developed natural rubber soft robots can bend from 0 to 90 degrees Celsius when correlating with the air volume applied to casting silicone rubber-soft robots.