Kunststoff unter Spannung

Artikel vom 26. Juni 2015 

 Kunststoff unter Spannung

Polyurethan ist ein Kunststoff, aus dem beispielsweise der Fußball für die Weltmeisterschaft in Brasilien 2014 hergestellt wurde. Bei Festo in der Forschung wird Polyurethan in Kombination mit Graphit als neuartiges Antriebselement (Aktor) eingesetzt.

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. Im Forschungsprojekt DIELASTAR (Dielektrische Elastomere für Stellaktoren) wird zu sogenannten dielektrischen Elastomer-Aktoren (DEA) geforscht, welche aus mehreren Polyurethan- und Graphitschichten bestehen.

300 hauchdünne Schichten

Festo verwendet die DEA im Forschungsprojekt als Schaltelemente in Ventilen, die den Luftstrom in pneumatischen Anlagen steuern. „Ein solcher DEA setzt sich aus 300 aufeinandergestapelten, hauchdünnen Polyurethan-Schichten zusammen“, erklärt Dr. Metin Giousouf, Leiter des Forschungsprojektes bei Festo. „Polyurethan ist ein Elastomer, das wir als speziell modifizierte Kunststofffolie einsetzen.“

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, der es in sich hat. Denn zwischen den Polyurethan-Schichten sind ultradünne Elektroden aus Graphit aufgesprüht. „Die Elektroden sind wechselseitig angeordnet, sodass sich ein elektrisches Feld im Elastomer aufbauen kann, wenn eine elektrische Spannung anliegt“, erläutert Tobias Pointner, der ebenfalls im Forschungsprojekt mitarbeitet. Durch die Flexibilität der Polyurethan-Schichten bewegen sich die unterschiedlich geladenen Elektroden aufeinander zu. 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. Somit benötigt ein DEA-gesteuertes Ventil keinen Strom zum Halten seiner Position (Haltestrom), was dazu führt, dass Ventile mit DEAs sehr energieeffizient arbeiten. Allerdings ist derzeit noch eine hohe Spannung von etwa 2.000 Volt notwendig, um den DEA zu aktivieren. Die elektrische Spannung ist etwa 80 Mal so hoch wie die für industrielle Standardkomponenten notwendige Betriebsspannung. Daher liegt ein Hauptaugenmerk bei den Forschungsaktivitäten auf der Herabsetzung der elektrischen Spannung.

Vorteile der Dielektrischen Elastomer-Aktoren

Über die Regulierung 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 entweder vollständig geöffnet oder geschlossen werden. Ein weiterer Vorteil von DEA-gesteuerten Ventilen liegt in den geringen Materialkosten für Polyurethan und Graphit. Ein Demonstrator des Forschungsprojekts verdeutlicht diese positiven Eigenschaften: Er zeigt den proportionalen DEA-Antrieb und dessen Energieeffizienz im Vergleich zu einem herkömmlichen Ventil mit elektromagnetischem Antrieb.

Den Demonstrator können Sie hier im Video sehen: