Polymerfolien in selbsterkennende High-Tech-Aktuatoren verwandeln

28.03.2018 - Deutschland

Sie bestehen aus dünner Silikonfolie, können aber kraftvoll drücken, stoßen, vibrieren und jede gewünschte Stellung halten. Und: Sie sind als Sensoren zugleich Sinnesorgane für die Technik. Eine neue Generation technischer Bauteile entwickelt das Forscherteam von Stefan Seelecke von der Universität des Saarlandes. Sie können als stufenlose Schalter, selbst-dosierende Ventile, motorlose Pumpen oder sogar als Fühlhilfe in Touch-Bildschirmen Einsatz finden. Die Technologie kommt ohne seltene Erden oder Kupfer aus, ist kostengünstig in der Herstellung, verbraucht sehr wenig Energie und die Bauteile sind federleicht. Auf der Hannover Messe suchen die Ingenieure Partner aus der Industrie.

Die Ingenieure demonstrieren das Potenzial ihrer Folie auf der Hannover Messe: Am saarländischen Forschungsstand zeigen sie, wie ihre Folie reagieren kann, wenn ein Objekt auf sie auftrifft.

Die hauchdünne Folie aus Silikon zieht sich in der einen Richtung zusammen und dehnt sich in die andere. Die Saarbrücker Ingenieure lassen sie verschiedenste Choreografien vollführen: vom hochfrequenten Vibrieren bis hin zu stufenlosen Hub-Bewegungen. Das macht die Folie zu einem neuartigen Antrieb. Alles, was die Forscher dazu benötigen, ist elektrische Spannung. „Auf beiden Seiten einer Kunststoff-Membran ist eine elektrisch leitfähige Schicht aufgedruckt. Hierdurch können wir eine elektrische Spannung an das Polymer anlegen“, erläutert Professor Stefan Seelecke vom Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlandes. Das macht die Folie „elektroaktiv“. Sie wird denn auch als „elektroaktives Polymer“ bezeichnet oder, etwas spezifischer, als „dielektrisches Elastomer“.

Verändern die Ingenieure das elektrische Feld, wirken sich elektrostatische Anziehungskräfte so aus, dass sich die Folie zusammendrückt und so ihre Fläche vergrößert. Mit einer Regelung über Algorithmen im Hintergrund wird aus dem unscheinbaren Stück Kunststoff mit schwarzem Aufdruck ein hochtechnisches Bauteil, das durch elektrische Spannung gezielt angesteuert werden kann.

„Wir setzen hierfür die Folie selbst als Positions-Sensor ein. Das jeweilige Bauteil hat zugleich auch sensorische Eigenschaften“, sagt Stefan Seelecke. Die Forscher können die einzelnen Stellungen der Folie – also wie sie sich gerade verformt – exakt entsprechenden Messwerten der elektrischen Kapazität zuordnen. „Wenn wir die elektrische Kapazität messen, können wir also auf die jeweilige mechanische Auslenkung der Folie rückschließen“, erklärt Ingenieur Philipp Linnebach, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand in Seeleckes Team an den neuen Folien-Antrieben arbeitet. In einer Regelungseinheit können die Bewegungsabläufe dadurch genau berechnet und programmiert werden.

Seeleckes Forscherteam an der Saar-Universität und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik entwickelt die Folie zu verschiedensten technischen Bauteilen weiter: Etwa zum Ventil, das selbst und ohne weiteres Druckluft oder Flüssigkeiten exakt dosiert. Oder zu Pumpenantrieben, die ohne konventionellen Motor auskommen. Oder auch zu Tastern zum Ein- und Ausschalten. „Diese Bauteile arbeiten sehr energieeffizient: Um eine bestimmte Position zu halten, braucht die Folie keine Energie. Sie verbraucht Energie nur, um ihre Position zu ändern“, erläutert Doktorand Paul Motzki, ebenfalls wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Professor Seelecke. Als Druckluft-Ventil etwa ist sie 500-mal effizienter als ein Elektromagnet-Ventil.

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