Aktor-Sensor-Systeme

Dielektrische Elastomere für intelligente Materialien

  • Abb. 1: Skizze eines DE-Elements für die Aktorik bei 0 V(a) und angelegter Spannung (b).Abb. 1: Skizze eines DE-Elements für die Aktorik bei 0 V(a) und angelegter Spannung (b).
  • Abb. 1: Skizze eines DE-Elements für die Aktorik bei 0 V(a) und angelegter Spannung (b).
  • Abb. 2: Beispiel eines DEA für hohe Kräfte.
  • Tab.: Performancevergleich von Aktoren basierend auf intelligenten Materialien und elektromagnetischem (EM) Antriebsprinzip (nach [9]).
  • Abb. 3: Beispiel eines mittels DEA angetriebenen pneumatischen Ventils.
  • Abb. 4: Beispiel eines mittels DEA angetriebenen pneumatischen Vibrationsförderers.

Als intelligente Materialien oder Smart Materials werden Materialien bezeichnet, die aktorische Eigenschaften vorweisen und gleichzeitig als (ihr eigener) Sensor betrieben werden können. Dazu gehören unter anderem piezoelektrische Aktoren, thermische und magnetische Formgedächtnislegierungen (FGL) sowie dielektrische Elastomere (DE), welche eine wichtige Untergruppe der elektroaktiven Polymere (EAP) darstellen. Die speziellen und flexiblen Formfaktoren dieser Aktoren ermöglichen die Umsetzung von bisher nicht möglich gewesenen Antriebskonzepten. Gleichzeitig können ihre sensorischen Eigenschaften zur Generierung zusätzlicher Informationen genutzt werden („Self-Sensing“).

DE bestehen im einfachsten Fall aus einer dünnen (typischerweise 20 – 100 µm) Elastomerfolie, die beidseitig mit einer hauchdünnen (< 5 µm), leitfähigen und dehnbaren Elektrode beschichtet ist (Abb. 1a). Somit bilden sie einen flexiblen und dehnfähigen Kondensator. Als Materialien für das Elastomer werden je nach Anwendung Silikone, Acrylate, Polyurethane oder Naturkautschuk verwendet. Die Elektroden bestehen i. d. R. aus einer Mischung von Industrieruß und dem verwendeten Basiselastomer. Diese günstigen Materialien bieten, ebenso wie der Verzicht auf Seltene Erden, bereits einen großen Kosten- und Ressourcenvorteil. Des Weiteren erlaubt der einfache Aufbau, kombiniert mit industriellen Massenproduktionsverfahren (wie z. B. Siebdruck) die Herstellung kostengünstiger Sensoren, Aktoren und Generatoren für die Verwendung in kleinen, leichten und energieeffizienten Systemen [1, 2].

Im Sensorbetrieb werden DE durch eine äußere Kraft verformt bzw. gedehnt. Dies sorgt für eine Kapazitätsänderung, welche als Messsignal dient. Solche Sensoren können problemlos Dehnungen von über 100 % mit einer Auflösung kleiner 0,1 % (Sensitivität 0,026 %) erreichen, wie es Beispiele der Firma Parker für industrielle Anwendungen [3] oder der Firma Stretchsense für die Erkennung von Bewegungsabläufen zeigen [4]. Des Weiteren eignen sich solche Sensoren auch zur Druckmessung [5]. Bei der Nutzung von DE als Generator müssen diese im gedehnten Zustand mit einer Hochspannung geladen werden.

Durch eine anschließende Relaxation des DE wird die in der Dehnung gespeicherte mechanische Energie in elektrische umgewandelt [6-8]. Die Energieerzeugung aus menschlicher Bewegung, Wind- und Industrievibrationen, aber auch großtechnische Meereswellenenergiegewinnung sind hierbei Gegenstand der Forschung. Energiegewinnungskonzepte auf der Basis von DE können aber genauso gut auf kleinskalige Systeme übertragen werden, um somit die Versorgung energieautarker Sensorsysteme sicherzustellen. Besonders interessant ist die Anwendung von DE für leichte, schnelle (kHz-Bereich) und energieeffiziente Aktoren mit sehr hohen Dehnungsraten, wie der Vergleich mit anderen Aktorprinzipien in der Tabelle zeigt.

Funktionsprinzip

Legt man ein elektrisches Feld von typischerweise 50-80 V/µm an den DE, führt die elektrostatische Anziehung der entgegengesetzten Ladungen auf den beiden Elektroden zu einer Dickenkompression des Elastomers, sowie einer Ausdehnung in der Fläche (Abb. 1b). Hierbei bestimmt die Aktorbauform, welche Geometrieänderung maßgeblich für die Bewegungserzeugung genutzt wird. Daher unterscheidet man Stapel- und Membranaktoren. Stapelaktoren bestehen typischerweise aus mehreren Hundert DE-Lagen (ähnlich einem Piezoaktor) und nutzen die Dickenänderung zur Erzeugung hoher Kräfte im zweistelligen Newtonbereich bei moderaten Dehnungen von ca. 10 % der Ausgangslänge [13-15]. Membranaktoren hingegen nutzen die Flächenausdehnung zur Aktorik. Dies erlaubt das generieren von Dehnungen > 100 %, wobei die Kräften eher im niedrigen einstelligen Newtonbereich liegen. Bei beiden Bauformen können sowohl Hub als auch Kraft über die Aktorgeometrie skaliert werden [16]. Zudem lassen sich Membranaktoren auch stapeln, um größere Kräfte zu erzeugen. Mit diesem Mischkonzept können Kräfte von über 100 N erzeugt werden (Abb. 2) [17].

Von besonderer Bedeutung für potentielle Industrie 4.0-Anwendungen ist die kombinierte Ausnutzung von Aktor und Sensoreffekt. Hierbei wird während der Aktuierung permanent auch die Kapazität des DEA ausgelesen. Somit zeigen DEA einen Self-Sensing-Effekt, womit sich intelligente und regelbare Aktorsysteme aufbauen lassen, die keine zusätzliche Sensorik benötigen. Hierbei kann eine Positionsgenauigkeit < 5 % für dynamische [18] und < 1 % für quasistatische Bewegungen erreicht werden [19]. Des Weiteren eignet sich eine zusätzliche Messung des Elektrodenwiderstands, um Aussagen über die Alterung des DEA zu treffen [20]. Die Themen Alterung und Lebensdauer sind auch Gegenstand aktueller Forschung [21]. Erste Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass DEA mehrere Millionen Betriebszyklen unbeschadet überstehen können [22].

Einsatzgebiete

Die Zahl der kommerziell verfügbaren Produkte ist z. Z. noch relativ gering und beschränkt sich auf oben genannte Sensoren sowie Aktoranwendungen im Bereich adaptiver Optik von der Firma Optotune [23]. Dies ist unter anderem dem noch geringen Alter (erste Forschungsarbeiten in den 1990-iger Jahren) der Technologie geschuldet. Jedoch hat die industrienahe Forschung in den letzten Jahren einige vielversprechende Anwendungsfelder hervorgebracht. Besonders geeignet sind DEAs für die Verwendung als Ventiltrieb. Dies zeigt der Vergleich eines konventionellen Ventils mit Elektromagnet und einer Version, in der der Elektromagnet durch einen DEA ersetzt ist (Abb. 3) [24]. Beide Ventile sind in der Lage, 3 bar und einen maximalen Volumenstrom von 9 L/min mit der gleichen Dynamik zu schalten. Allerdings ergibt sich in der Anwendung (Ventil 1,5 Sekunden offen, danach 0,5 Sekunden geschlossen halten) eine Energieersparnis von über 99 %, da der DE zum Öffnen nur einmal geladen werden muss und diese Position anschließend stromlos hält. Durch diesen geringen Energieverbrauch findet auch keine Erwärmung des Ventils statt, was bei der Handhabung sensibler Medien eine wichtige Rolle spielen kann. Weiterhin lässt sich der DE im Gegensatz zum Elektromagnetventil auch proportional ansteuern, um eine Durchflussregelung zu realisieren. Weitere Studien müssen zeigen, ob die Self-Sensing-Funktionalität auch Rückschlüsse auf den anliegenden Druck zulassen.

Eine weitere Anwendung sind Vibrationsförderer (Abb. 4). Hier liegen die Vorteile von DEA vor allem in ihrer hohen Dynamik. Diese erlaubt es, das Bewegungsprofil der Förderrinne ohne Rüstzeit an ein neues Fördergut anzupassen. Der Self-Sensing Effekt erlaubt zusätzlich Rückschlüsse auf die Fördermenge oder Art des Förderguts. Die hohe Dynamik von DEA wird auch in weiteren Anwendungsfeldern genutzt. Durch ihre hohe Gestaltungsfreiheit erlauben DE den Aufbau hochkompakter und an die Anwendung angepasster Aktoren für haptisches Feedback, bspw. in Knöpfen und Touchscreens oder als Lautsprecher. Zudem lassen sich DEA aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität auch in Kleidungsstücke wie z. B. Handschuhe integrieren.

Neben der kombinierten Nutzung von Aktorik und Sensorik ist die intrinsische Nachgiebigkeit und Elastizität von DEA eine attraktive Eigenschaft in Hinblick auf Mensch-Roboter-Kollaboration. In Kombination mit den geringen Aktormassen können so sehr sichere Robotersysteme entstehen, die im Gegensatz zu steif und starr wirkenden Systemen einen natürlich weichen Eindruck vermitteln.

Autoren
Steffen Hau1, Paul Motzki2, Stefan Seelecke1

Zugehörigkeiten
1Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Deutschland
2Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH, Saarbrücken, Deutschland

Kontakt 
Steffen Hau

Arbeitsgruppe Dielektrische Elastomere
Universität des Saarlandes
Saarbrücken, Deutschland
steffen.hau@imsl.uni-saarland.de

Referenzen:

[1] Pelrine, R. E., Kornbluh, R. D., and Joseph, J., 1998, “Electrostriction of Polymer Dielectrics with Compliant Electrodes as a Means of Actuation,” Sensors Actuators A Phys., 64(1), pp. 77–85, DOI: 10.1016/S0924-4247(97)01657-9.

[2] Carpi, F., De Rossi, D., Kornbluh, R. D., Pelrine, R. E., and Sommer-Larsen, P., 2008, Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers: Fundamentals, Materials, Devices, Models and Applications of an Emerging Electroactive Polymer Technology, Elsevier, doi: 10.1016/B978-0-08-047488-5.00033-2.

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[24] Hill, M., Rizzello, G., and Seelecke, S., 2017, “Development and Experimental Characterization of a Pneumatic Valve Actuated by a Dielectric Elastomer Membrane,” Smart Mater. Struct., 26(8), p. 85023, doi: 10.1088/1361-665X/aa746d.

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