Projet de recherche DIELASTAR

Recherche sur les actionneurs élastomères diélectriques 

Dans le cadre du projet de recherche DIELASTAR (élastomères diélectriques pour actionneurs de réglage), le polyuréthane, utilisé en combinaison avec du graphite, constitue un élément d'entraînement (actionneur) d'un genre tout à fait nouveau. Un actionneur transforme des signaux électriques en mouvements mécaniques, par exemple pour ouvrir et fermer une soupape. Dans les soupapes classiques, l'actionneur est un électroaimant. Les actionneurs à élastomères diélectriques (DEA) peuvent par exemple être utilisés dans des soupapes à la place des électroaimants.

Dans le cadre du projet, Festo utilise les DEA comme éléments actifs dans des soupapes pour commander le flux d'air dans des installations pneumatiques. Un tel DEA est composé de 300 couches de polyuréthane empilées et extrêmement fines. Une couche mesure quelque 0,05 millimètre d'épaisseur, soit environ la moitié d'un cheveu humain. Les couches empilées forment un petit parallélépipède de la taille d'un morceau de sucre.

Des électrodes ultrafines en graphite sont pulvérisées entre les couches en polyuréthane. Disposées en alternance, ces électrodes forment un champ électrique dans l'élastomère, dès qu'une tension électrique est appliquée. La force d'attraction générée par le champ électrique a pour effet de déplacer les couches flexibles de polyuréthane les unes vers les autres. L'actionneur complet est raccourci et ouvre la soupape.

Contrairement aux soupapes électromagnétiques, il ne se forme pas de chaleur, car le courant ne traverse que brièvement les électrodes. Néanmoins, actuellement, pour activer le DEA, il faut encore une tension électrique de quelque 2 000 volts, soit environ 80 fois plus que la tension de service de 24 volts requise pour les composants industriels standard. C'est pourquoi une attention particulière des activités de recherche est accordée à la réduction de la tension électrique.

Objectifs du projet

Des actionneurs d'un genre nouveau sont développés dans le cadre du projet de recherche. Dans les soupapes classiques, l'actionneur est un électroaimant. Les actionneurs diélectriques peuvent être utilisés dans des soupapes à la place des électroaimants.

Ils présentent de nombreux avantages : La commande ou régulation de la tension électrique appliquée au DEA modifie le passage d'air dans la soupape pneumatique, permettant ainsi de contrôler les positions « ouverte » et « fermée » (mode de fonctionnement proportionnel). En revanche, les soupapes classiques à actionneurs électromagnétiques peuvent être soit entièrement ouvertes, soit entièrement fermées. Par ailleurs, en raison du faible coût du polyuréthane et du graphite, les DEA sont bon marché. Comme une soupape commandée par un DEA n'a pas besoin de courant pour maintenir sa position (courant de maintien), ce type de soupape fonctionne avec une très grande efficacité énergétique.

Au cours de projets de recherche, on étudie comment réduire la tension de service des DEA, par exemple en diminuant l'épaisseur de couche de l'élastomère. Les intensités de champ plus élevées engendrent des forces ou des courses plus importantes. L'ajout de nanoparticules dans l'élastomère permet d'augmenter encore une fois la performance des DEA.

Les études menées à ce jour montrent que le polyuréthane est un élastomère convenant bien à la réalisation de DEA, mais il possède néanmoins des propriétés mécaniques amortissantes qui limitent la dynamique d'un actionneur à commutation rapide. À l'avenir, l'emploi de silicone comme élastomère promet d'obtenir de meilleures propriétés dynamiques.

Démonstrateurs

Un démonstrateur du projet de recherche illustre les propriétés positives : il montre l'actionneur DEA proportionnel et son efficacité énergétique en comparaison avec une soupape classique à entraînement électromagnétique.

La soupape DEA a été réalisée sur la base d'un corps MHE2 dont l'entraînement à électroaimant a été retiré et remplacé par un module avec un DEA compact et un convertisseur de tension continue à haut voltage. La tension de service de la soupape DEA à 24 volts est identique à celle de la soupape MHE2. La réduction de la tension de service souligne la fonctionnalité proportionnelle à 2/2 voies de la soupape DEA.

Dans un autre démonstrateur, des DEA sont utilisés comme éléments d'entraînement pour un manipulateur de petites pièces à grande efficacité énergétique.

Autres acteurs du projet

DIELASTAR

Acteurs issus de la science

  • Université OWL
  • Fraunhofer IAP

Acteurs issus de l'industrie

  • Centre de recherche ABB AG Allemagne

Soutenu par le Ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (numéro 13X4011C).