Dielektrische Elastomere

Dielektrische Elastomeren (DE)

Dielektrische Elastomere sind dünne Filme (20-200µm) aus z.B. Silikon, die mit hochflexiblen Elektroden bedruckt werden. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung im Kilovoltbereich ziehen sich die Elektroden an und komprimieren den Polymerfilm, der dabei gleichzeitig seine Fläche vergrößert. Diesen Effekt nutzen wir für die Aktorik oder, da die Geometrieänderung auch eine Kapazitätsänderung bewirkt, für sensorische Zwecke, wie etwa zur Druck- oder Wegmessung. Koppelt man die beiden Effekte, spricht man vom Self-Sensing, so dass die Position eines DE-Aktors ohne weiteren externen Sensor bestimmt werden kann.

Dielektrische Elastomere gliedern sich in die folgenden Teilbereiche auf:

Herstellung von dielektrischen Elastomeren mit industrietauglichen, skalierbaren Prozessen
Experimentelle Charakterisierung des elektromechanischen Materialverhaltens
Entwurf von Aktor-/Sensorsystemen (DEA/DES)
Aufbau von Technologiedemonstratoren
Untersuchung des Self-Sensing-Effektes zum Aufbau kompakter, sensorloser Aktorsysteme
Modellierung DE-basierter Aktor-/Sensorsysteme
Entwicklung fortgeschrittener Ansteuerkonzepte für DEA/DES
Entwicklung miniaturisier- und integrierbarer Hochspannungselektronikkonzepte

Wie werden dielektrische Elastomere hergestellt?

Zur Herstellung von DE-Membranaktoren bedrucken wir dünne Silikonfilme (z.B. Wacker ELASTOSIL) in unserem Reinraum mit hochdehnbaren Elektroden aus PDMS und Carbon Black. Dazu verwenden wir ein Siebdruckverfahren, welches durch seine inhärente Skalierbarkeit auch gut zur Produktion in großen Stückzahlen geeignet ist.

Elektromechanische Eigenschaften

Zur Auslegung von DEA/DES ist es zunächst erforderlich, ihr Materialverhalten genau zu kennen. Dazu haben wir eine Reihe moderner Testgeräte (zum Teil selbst entwickelt) zur Verfügung, um das elektromechanisch gekoppelte Verhalten systematisch zu charakterisieren. Hierzu gehören u.a. Zugversuche bei div. elektrischen Spannungen, dielektrische Durchschlagsmessungen sowie Dauerversuche, die auch in einem Klimaschrank ablaufen können, um Temperatur- und Feuchteeinflüsse mitzuerfassen. Weiterhin werden Schwingungscharakterisierungen per Laservibrometer oder Digital-Image-Correlation (DIC) zur Dehnungsfeld-bestimmung durchgeführt.

Dynamischer Membrantester

Strip-in-plane (SIP) Membranaktor für extrem große Hübe

Anwendungen

Trotz der hohen Spannungen fließen, je nach Kapazität des DEAs, oft nur Ströme im Mikroampèrebereich. Hierdurch lassen sich mit diesen Materialien extrem energieeffiziente und kostengünstige Antriebe realisieren, die aufgrund der Self-Sensing-Eigenschaft sogar ohne weitere Sensorik einen geregelten Betrieb zulassen.

Dielektrische Elastomere