iMSL – Intelligent Material Systems Lab – Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes

DE-Ventil

Elektrisch gesteuertes Ventil, basierend auf einem DE-Aktor nach dem neuartigen „floating“ Konzept

Dielektrisches Ventil

Demonstration der Vielseitigkeit möglicher Anwendungen für DE-Aktoren. Elektrisch gesteuerte Ventile werden üblicherweise mit einem Stellmotor geöffnet oder geschlossen. Diese sind im Verhältnis zum Ventil meist groß, schwer und brauchen relativ viel Energie. DE-Aktoren können hierbei je nach Anwendung erhebliche Vorteile bringen, da sie wesentlich leichter und in ihrer Form sehr variabel sind. Ebenfalls sind sie äußerst energieeffizient und somit potenziell auch für mobile Anwendungen geeignet.

Aufbau eines DEA-basierten Ventils. Ein konventioneller Ventil-Körper soll durch einen DE-Aktor angesteuert werden. Das Ventil kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung geöffnet und geschlossen werden. In einem Demonstratoraufbau soll dieser Aktor genutzt werden, um einen Luftstrom durch das Ventil zu blockieren oder zu ermöglichen. Die ausströmende Luft wird durch eine leichtgängige Klappe am Ausgang des Ventils visualisiert (Luft strömt à Klappe wird durch den Luftstrom geöffnet und „flattert“) 

  • DE-Aktor basierend auf Streifen-DE (strip in-plane) 
  • Umsetzung eines neuartiges Aktor-Konzepts (floating actuator), wodurch der Kraft-Output des Aktors vergrößert wurde 
  • Funktionierendes DE-Ventil, bestehend aus DE-Aktor & kommerziellem Ventilkörper 

Das Projekt zeigt eindrucksvoll die weitreichenden möglichen Anwendungen von DE-Aktoren. Insbesondere für Ventil Anwendungen, bei denen teilweise große Flüsse ermöglicht werden müssen (d.h. es werden große Hübe benötigt) und gleichzeitig auch hohe Drücke herrschen (d.h. es wird eine große Kraft benötigt) kann ein DE-Aktor eine effiziente Lösung darstellen. Anpassungen des Aktors könnten weitere Anwendungen für den Bereich Pneumatik möglich machen.  

Alle Arten von mechanischen Schaltern und Ventilen  

Dr. Steffen Hau 

 

Demonstration des Ventils anhand von Luftdruck

CAD Modell des Ventils

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“).

Paper

One application for a DEAP actuators is in micro-positioning systems. There are currently many micro-positioning systems on the market, most of which use piezoelectric actuators to drive flexure stages. These actuators have high speed (up to MHz-range) and force (approx. 30 N/mm²), but low stroke (0.1 to 0.15% of actuator length) [1]. Amplification systems are needed to boost the stroke. These amplification systems can add undesired volume and weight to the system. DEAPs however are capable of large actuation stroke (mm-range) and can be scaled to meet the desired micro-positioning application. Higher forces can also be generated by stacking DEAP actuators. Here in this work two circular DEAP actuators are used to drive a one-directional flexure system. This is a generic system and can be used for example in scanning and position control. The DEAPs are coupled antagonistically and provide push-pull forces on the custom built compliant stage. This work focuses on the design, fabrication, experimentation and control of the system. The system was identified and feed forward control was implemented. The unloaded stage was capable of closely following triangle trajectories of ±200 μm at 1 Hz and ±40 μm at frequencies of 60 Hz. The maximum error was ±5 μm and as low as ±2 μm.