Zum Inhalt springen

Dielektrische Elastomere

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Dielektrische Elastomere (DE) sind adaptive Materialsysteme, welche hohe Dehnungen (bis zu 300 %) erzeugen können. Sie gehören zur Gruppe der elektroaktiven Polymere (EAP). Basierend auf ihrem einfachen Funktionsprinzip können Sie als Antrieb oder als Sensor fungieren. Im Bereich der Antriebstechnik wandeln dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA) elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit um. Umgekehrt können dielektrische Elastomer-Sensoren (DES) äußere Kräfte oder Änderungen in der Umgebung von dem DE erfasst und mittels Elektronik ausgewertet werden.

DEs sind sehr leicht, haben eine hohe elastische Energiedichte und werden seit Ende der 1990er-Jahre erforscht. Viele potentielle Anwendungen befinden sich derzeit im Prototypenstadium, wobei zwischen Aktorik und Sensorik unterschieden werden muss. Die Sensorik befindet sich im TRL 9 und ist von einem führenden Unternehmen aus Deutschland<ref>Delfa Systems GmbH. Abgerufen am 5. März 2026 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> etabliert, wobei die Aktorik sich in TRL 5 befindet. Im Frühjahr findet jedes Jahr in den USA und Europa Konferenz statt, an der die neusten Forschungsresultate auf dem Gebiet DEA ausgetauscht werden.<ref>Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) XXV. Abgerufen am 9. Februar 2023.</ref><ref>EuroEAP conference home. Abgerufen am 13. April 2023.</ref>

Funktionsprinzip als Antrieb

Datei:Funktionsprinzip Dielektrische Elastomere 2.gif
Funktionsprinzip eines dielektrischen Elastomer-Aktors. Ein Elastomerfilm wird beidseitig mit Elektroden beschichtet. Die Elektroden werden an einen elektrischen Schaltkreis angelegt. Durch Anbringen einer elektrischen Spannung <math>U</math> stellt sich der elektrostatische Druck <math>p_\mathrm{el}</math> ein. Der Elastomerfilm wird in Dickenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich seitlich aus. Beim Kurzschließen des Schaltkreises geht der Elastomerfilm wieder in seinen Ursprungszustand zurück.

Ein DEA ist im Prinzip ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator (siehe Bild). Ein passiver Elastomerfilm wird zwischen zwei nachgiebigen Elektroden eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung <math>U</math> angelegt wird, ziehen sich die gegenüberliegenden Elektroden aufgrund des elektrostatischen Druckes <math>p_\mathrm{el}</math> (Coulomb-Kräfte) an. Der inkompressible Elastomerfilm wird in Dickenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus.

Die elektrostatische Druckkraft <math>p_\mathrm{el}</math> auf die im Abstand <math>z</math> befindlichen planparallelen Platten eines Kondensators bei der Spannung <math>U</math> beträgt<ref>Arnold Führer, Klaus Heidemann, Wolfgang Nerreter: Zeitabhängige Vorgänge, Grundgebiete der Elektrotechnik, Band 2, ISBN 978-3-446-43038-9, Seite 62</ref>

<math>p_\mathrm{el} = \frac{1}{2} \varepsilon_0 \varepsilon_r {U^2 \over z^2}</math>

mit <math>\varepsilon_0 \varepsilon_r</math> - Permittivität

Der Druck ist somit vom Quadrat der Feldstärke abhängig und lässt sich durch Verwenden durchschlagsfester Materialien mit hohem <math>\varepsilon_r</math> stark steigern. Hinzu kommt die elektrostatische Abstoßung gleichnamiger Ladungen innerhalb der Elektroden. Der äquivalente elektromechanische Druck <math>p_{eq}</math> ist hierdurch doppelt so groß wie der elektrostatische Druck und beträgt<ref>Tristan Schlögl: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />Modellbildung, Simulation und Optimalsteuerung von Systemen mit dielektrischen Elastomeraktoren (Memento vom 23. März 2019 im Internet Archive), Dissertation 2018 an der Universität Erlangen, Seite 106 (PDF)</ref>

<math>p_\mathrm{eq}=\varepsilon_0\varepsilon_r\frac{U^2}{z^2}</math>

Übliche unidirektionale Dehnungen von DEA liegen bei 10–35 %, Maximalwerte gehen bis zu 300 %.<ref>Empa – Materialien für dielektrische Elastomer Aktoren. In: www.empa.ch. Archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am 18. Februar 2016; abgerufen am 25. Dezember 2009.</ref>

Funktionsprinzip als Sensor

Ein DES ist ähnlich einem sehr weichen Plattenkondensator, bei dem die Kapazität

<math>C = \varepsilon_0 \varepsilon_r {A \over d}</math>

beträgt. Dabei sind A die Fläche des Kondensators und d der Abstand zwischen den leitfähigen Schichten.

Wird dieser Aufbau durch eine externe Kraft beispielsweise in Messebene in die Länge gezogen oder rechtwinklig dazu gestaucht, führt dies zu einer Kapazitätsänderung. Durch die Messung dieser Kapazität können durch gewisse Auswertungslogik Rückschlüsse auf Dehnung oder Kraft getroffen werden.

Materialien

Als Elastomer-Materialien werden häufig Silikone oder Acryle verwendet. Das acrylische Elastomer VHB 4910 (3M) zeigte Dehnungen bis zu 300 %. Acryle haben jedoch den Nachteil, dass sie viskoelastisch sind und eine weniger lange Haltbarkeit erwarten lassen.<ref name="erlangen">Sebastian Reitelshöfer, Maximilian Landgraf, Jörg Franke, Sigrid Leyendecker: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />Qualifizierung Dielektrischer Elastomer Aktoren zum Einsatz als künstliche Muskeln in hochdynamischen N-DOF Roboterkinematiken (Memento vom 23. März 2019 im Internet Archive), Seite 4 (PDF)</ref>

Grundsätzlich gibt es folgende Anforderungen an ein Elastomer, welches als DEA eingesetzt wird:

Es werden Schichtdicken im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich und Spannungen bis etwa 1 kV verwendet.<ref name="erlangen" />

Viele der verwendeten Elastomere zeigen ein visko-hyperelastisches Verhalten. Für die Berechnung solcher Aktoren werden Modelle benötigt, welche sowohl Gummielastizität als auch Viskoelastizität beschreiben.

Für die Elektrode werden zum Beispiel Graphitpulver, Silikonöl-Graphitgemische oder Goldelektroden verwendet. Auch ionische Gele sind in Gebrauch.<ref>J. A. Rogers: A Clear Advance in Soft Actuators. In: Science. Band 341, Nr. 6149, 2013, S. 968–969, doi:10.1126/science.1243314, PMID 23990550.</ref> Die Elektrode muss ausreichend elektrisch leitend und nachgiebig sein. Die Nachgiebigkeit der Elektrode ist wichtig, damit das Elastomer bei der Ausdehnung von der Elektrode nicht behindert wird bzw. diese nicht zerstört wird.

Konfigurationen und Anwendungen

Es gibt verschiedene Konfigurationen für dielektrische Elastomere<ref>Dr.-Ing. Steffen Hau: HIGH-PERFORMANCE DIELECTRIC ELASTOMER ACTUATORS. Saarbrücken 2018 (uni-saarland.de [PDF]).</ref>:

  • Planare Aktoren: Ein planarer Aktor ist eine Folie, welche mit zwei Elektroden beschichtet ist.
    • Stapel-Aktoren: Durch Aufschichtung von mehreren planaren Aktoren kann die Kraft durch Flächenvergrößerung eine höhere Verschiebung durch eine höhere Anzahl von Planaren Aktoren erzeugt werden. Bei Anlegen einer Spannung entsteht eine Zugspannung im Aktor und der Stapel verkürzt sich. Diese Art der Antriebe verwenden die Dickenänderung als primäre Wirkrichtung bei anlegen einer elektrischen Spannung.
      • Mehrere dieser Stapel werden gebündelt. Analogon zum Muskel
    • Membran-Aktoren: Durch Aufschichten, von mehreren planaren Aktoren, wird bei diesem Antriebsprinzip die Verschiebung durch die Länge eines Planaren Aktors bestimmt und die Kraft über Breit bzw. die Anzahl an Planaren Aktoren. Dieses Prinzip nutzt die Flächendehnung als primäre Wirkrichtung. Membran Aktoren erfordern meist ein Vorspannsystem, welches aus linearen, nichtlinearen oder andern Federn bestehen kann.
  • Gerollte Aktoren: Beschichtete Elastomerfolien werden um eine Achse herum aufgerollt. Bei der Aktivierung stellt sich eine Dehnung in axialer Richtung ein.
  • Schalenförmige Aktoren: Elastomerfolien werden selektiv beschichtet, sodass mehrere Elektrodenzellen entstehen. Durch individuelle Ansteuerung dieser Zellen mit elektrischen Spannungen können die Folien dreidimensionale Formen annehmen.

Einzelnachweise

<references />

Literatur

Abgerufen von „https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?title=Dielektrische_Elastomere&oldid=1094382“