Forschungsprojekt DIELASTAR

Forschung zu dielektrischen Elastomer-Aktoren 

Der Kunststoff Polyurethan wird im Forschungsprojekt DIELASTAR (Dielektrische Elastomere für Stellaktoren) in Kombination mit Graphit als neuartiges Antriebselement (Aktor) verwendet. Ein Aktor setzt elektrische Signale in mechanische Bewegungen um, zum Beispiel zum Öffnen und Schließen eines Ventils. In klassischen Ventilen ist der Aktor ein Elektromagnet. Dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA) können beispielsweise statt Elektromagneten in Ventilen eingesetzt werden.

Festo verwendet die DEA im Forschungsprojekt als aktive Elemente in Ventilen zur Steuerung des  Luftstroms in pneumatischen Anlagen. Ein solcher DEA setzt sich aus 300 aufeinandergestapelten, hauchdünnen Polyurethan-Schichten zusammen. Eine Schicht ist ca. 0,05 Millimeter dünn, also etwa halb so dick wie ein menschliches Haar. Die gestapelten Schichten ergeben einen kleinen Quader in der Größe eines Zuckerwürfels.

Zwischen den Polyurethan-Schichten sind ultradünne Elektroden aus Graphit aufgesprüht. Diese Elektroden sind wechselseitig angeordnet, sodass sich ein elektrisches Feld im Elastomer aufbauen kann, wenn eine elektrische Spannung anliegt. Die durch das elektrische Feld erzeugte Anziehungskraft bewirkt, dass sich die flexiblen Polyurethan-Schichten aufeinander zu bewegen. Dadurch verkürzt sich der gesamte Aktor und öffnet das Ventil.

Dabei entsteht – im Gegensatz zu elektromagnetisch betriebenen Ventilen – keine Wärme, weil der Strom nur kurzzeitig zum Aufladen der Elektroden fließt. Allerdings ist derzeit noch eine hohe elektrische Spannung von etwa 2.000 Volt notwendig, um den DEA zu aktivieren. Diese ist damit noch etwa 80 Mal so hoch wie die für industrielle Standardkomponenten notwendige Betriebsspannung von 24 Volt. Daher liegt ein Hauptaugenmerk bei den Forschungsaktivitäten darauf, die  elektrische Spannung zu reduzieren.

Ziele des Projekts

Im Forschungsprojekt werden neuartige Aktoren entwickelt. In klassischen Ventilen ist der Aktor ein Elektromagnet. Dielektrische Elastomere können statt Elektromagneten in Ventilen eingesetzt werden.

Diese bringen einige Vorteile mit sich: Über Steuerung oder Regelung der angelegten elektrischen Spannung an den DEA kann der Luftdurchfluss im pneumatischen Ventil geändert werden. Dadurch sind auch Stellungen zwischen „offen“ und „geschlossen“ möglich (Proportionalbetrieb). Herkömmliche Ventile mit elektromagnetischen Aktoren können dagegen nur entweder vollständig geöffnet oder geschlossen werden. Außerdem sind DEA aufgrund der geringen Materialkosten für Polyurethan und Graphit kostengünstig. Da ein DEA-gesteuertes Ventil keinen Strom zum Halten seiner Position (Haltestrom) benötigt, arbeiten Ventile mit DEAs sehr energieeffizient.

In Forschungsprojekten wird untersucht, inwieweit die Betriebsspannung von DEAs herabgesetzt werden kann, zum Beispiel über eine Reduktion der Schichtdicke des Elastomers. Die dadurch möglichen höheren Feldstärken führen zu  höheren Kräfte beziehungsweise Hüben. Durch Beimischen von Nanopartikel in das Elastomer-Material  lässt sich  die Leistung der DEAs noch weiter steigern.

Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass sich Polyurethan als Elastomer zum Aufbau von DEAs prinzipiell gut eignet, jedoch besitzt  das Material mechanisch dämpfende Eigenschaften, die die Dynamik eines schnellschaltenden Aktors einschränken. Für die Zukunft verspricht man sich bessere dynamische Eigenschaften, wenn Silikon als Elastomer verwendet wird.

Demonstratoren

Ein Demonstrator des Forschungsprojekts verdeutlicht die positiven Eigenschaften: Er zeigt den proportionalen DEA-Antrieb und dessen energieeffizienten Verbrauch im Vergleich zu einem herkömmlichen Ventil mit elektromagnetischem Antrieb.

Das DEA-Ventil wurde auf Basis eines  MHE2-Ventilgehäuses aufgebaut, in dem der Elektromagnetantrieb entfernt und durch ein Modul, mit einem schmalen DEA und einem Hochvolt-Gleichspannungswandler, ersetzt wurde. Die Betriebsspannung des DEA-Ventils ist mit 24 Volt identisch mit der  des MHE2-Ventils. Beim Absenken der  Betriebsspannung  wird die  2/2-Wege-Proportionalfunktion des DEA-Ventils deutlich.

In einem weiteren Demonstrator werden DEAs als Antriebselemente für einen energieeffizienten Kleinteilegreifer eingesetzt.

Weitere Projektpartner

DIELASTAR

Aus der Wissenschaft

  • Hochschule OWL
  • Fraunhofer IAP

Aus der Industrie

  • ABB AG Forschungszentrum Deutschland

Das Projekt DIELASTAR wird unter dem Förderkennzeichen 13X4011C vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.