Proyecto de investigación: DIELASTAR

Investigación sobre actuadores elastómeros dieléctricos 

En el proyecto DIELASTAR (acrónimo alemán de «elastómero dieléctrico para actuadores de regulación»), se emplea poliuretano combinado con grafito como nuevo elemento de accionamiento (actuador). Un actuador convierte las señales eléctricas en movimientos mecánicos, por ejemplo, para abrir y cerrar una válvula. En las válvulas convencionales, el actuador es un electroimán. No obstante, los actuadores elastómeros dieléctricos (DEA) también se pueden emplear en válvulas en lugar de los electroimanes.

En este proyecto de investigación, Festo utiliza los DEA como elementos activos en válvulas para controlar la corriente de aire en instalaciones neumáticas. Un DEA de estas características se compone de 300 capas de poliuretano muy finas colocadas unas encima de otras. Cada capa tiene unos 0,05 milímetros de grosor, lo que equivale aproximadamente a la mitad de un cabello. Todas estas capas apiladas conforman un pequeño bloque del tamaño de un terrón de azúcar.

Entre las capas de poliuretano se pulverizan electrodos ultrafinos de grafito. Estos electrodos se disponen en direcciones alternas para crear un campo eléctrico en el elastómero cuando exista tensión eléctrica. La fuerza de atracción generada por el campo eléctrico hace que las capas flexibles de poliuretano se muevan unas hacia otras, lo que acorta todo el actuador y abre la válvula.

En este proceso, a diferencia de lo que sucede con las válvulas que funcionan de forma electromagnética, no se genera calor, ya que la corriente solo fluye de forma momentánea para cargar los electrodos. No obstante, actualmente se necesita una tensión eléctrica de unos 2000 voltios para activar el DEA, lo que supone una tensión aproximadamente 80 veces mayor que la tensión de servicio necesaria en componentes estándar industriales de 24 voltios. Por esta razón, las actividades de investigación se centran en reducir la tensión eléctrica.

Objetivos del proyecto

En el proyecto de investigación se desarrollan actuadores nuevos. En las válvulas convencionales, el actuador es un electroimán. No obstante, los elastómeros dieléctricos (DEA) también se pueden emplear en válvulas en lugar de los electroimanes.

Los DEA conllevan una serie de ventajas: Al controlar o regular la tensión eléctrica aplicada en el DEA puede cambiarse el flujo del aire en la válvula neumática, lo que permite posiciones intermedias, además de las de «abierto» y «cerrado» (funcionamiento proporcional). En cambio, las válvulas convencionales con actuadores electromagnéticos solo pueden abrirse o cerrarse completamente. Además, los DEA resultan muy económicos debido al reducido coste de material del poliuretano y del grafito. Dado que una válvula controlada por un DEA no requiere corriente alguna para mantener su posición (corriente de retención), las válvulas con DEA trabajan de forma muy eficiente desde el punto de vista energético.

En los proyectos de investigación se estudia en qué medida se puede reducir la tensión de servicio de los DEA, por ejemplo reduciendo el grosor de las capas de elastómero. La elevada intensidad de campo que se puede generar de este modo conlleva fuerzas mayores o movimientos más grandes. Además, al mezclar nanopartículas en el material del elastómero se puede aumentar aún más la potencia de los DEA.

Los estudios realizados hasta el momento han demostrado que, en principio, el poliuretano como elastómero es apto para crear DEA, pero que el material posee propiedades de amortiguación mecánica que limitan la dinámica de un actuador de conmutación rápida. En un futuro se espera obtener mejores propiedades dinámicas con el empleo de silicona como elastómero.

Demostradores

Un prototipo del proyecto de investigación ilustra las características positivas: muestra el accionamiento proporcional del DEA y su consumo energéticamente eficiente en comparación con una válvula convencional con accionamiento electromagnético.

La válvula DEA se ha construido basándose en la carcasa de una válvula magnética MHE2 en la que se ha retirado el accionamiento electromagnético y se ha sustituido por un DEA fino y un convertidor de continua a continua de alto voltaje. La tensión de servicio de la válvula DEA es de 24 voltios y, por tanto, idéntica a la de la válvula MHE2. Al reducir la tensión de servicio, queda patente la función proporcional de 2/2 vías de la válvula DEA.

En un demostrador adicional se usan DEA como elementos de accionamiento para una pinza de componentes pequeños energéticamente eficiente.

Otros socios de proyecto

DIELASTAR

Del ámbito científico

  • Hochschule OWL (Escuela Superior de Westfalia del Este-Lippe)
  • Fraunhofer IAP (Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada a los Polímeros)

Del ámbito industrial

  • ABB AG, centro de investigación de Alemania

Financiado por el Ministerio federal alemán de Educación e Investigación (BMBF) (número 13X4011C).