Elektroaktive Polymere

Dielektrische Elastomeraktoren in Aktion

Elektroaktive Polymere (EAP) ist ein Oberbegriff für eine Vielzahl von Kunststoffen, deren Gemeinsamkeit die Gestaltänderung durch Einfluss elektrischer Spannungen und Ladungen ist. Die zu Grunde liegenden Effekte können dabei höchst unterschiedlich sein. 

Man unterscheidet:

  • feuchte EAP (intermolekulare Bewegung von Ionen)
  • trockene EAP:
    • elektrostriktive Polymere
    • piezoelektrische Polymere
    • dielektrische Polymere

Dielektrische Elastomeraktoren

Eine Bewegung wird durch die elektrostatischen Kräfte, die auf das elastische Dielektrikum zwischen zwei nachgiebigen Elektroden wirken, erzeugt. Die Aktoren erreichen bei Feldstärken von 30 V/µm Dehnungen von bis zu 20%.

Vorteile des Aktorprinzips

  • leichte, flexible, geräuschlose Aktoren
  • hohe Energiedichte: > 0,2 J/cm³, im Vergleich zu piezoelektrischen Aktoren mit ca. 0,1 J/cm³
  • gekapselte Aktoren, die je nach Elastomer nahezu unter allen Umgebungsbedingungen einsetzbar sind
  • sehr niedrige Materialkosten

Funktionsprinzip

Dielektrische Festkörperaktoren können durch Anordnung elastischer, nichtleitfähiger Schichten zwischen nachgiebigen Elektroden realisiert werden. Wird eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt, so wird das Dielektrikum aufgrund der sich anziehenden Ladungen gestaucht und erfährt eine Dehnung senkrecht zur Feldrichtung.

Der elektrostatische Druck, welcher die Deformation verursacht, wird von der Dielektrizitätskonstanten, der Dielektrizitätszahl des Materials, seiner Dicke und von der angelegte Spannung bestimmt.

Da Polymere nahezu inkompressibel sind, bleibt das Volumen während der Deformation konstant. Beim Reduzieren der Spannung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab, das Dielektrikum kehrt in seine ursprüngliche Form zurück und kann aufgrund der gespeicherten elastischen Energie Kräfte ausüben. Die Elektroden müssen sehr nachgiebig sein, um die Flächendehnung nicht zu behindern.

Herstellung

Bei einigen untersuchten Elastomerfilmen wurden Durchschlagfeldstärken von bis zu 235 V/µm erreicht. Zum Betrieb nahe der Durchbruchfeldstärke zur Erzielung einer größtmöglichen Energiedichte bei niedriger Spannung sind somit sehr dünne dielektrische Schichten im Bereich weniger Mikrometer anzustreben. Zur Erreichung großer absoluter Auslenkungen ist es daher notwendig, eine Vielzahl dielektrischer Schichten und Elektrodenschichten zu stapeln. Die Herstellung von Prototypen mit einigen zehn bis mehreren hundert Schichten erfordert die Entwicklung einer Technologie zur automatisierten Stapelfertigung. Diese wurde im Rahmen der Dissertation von M. Jungmann am Institut für EMK entwickelt.

Forschung & Anwendung

Trotz der 20% Dehnung sind die Auslenkungen bei einer Schichtdicke von ca. 20µm kaum nutzbar. Durch das Stapeln mehrerer Schichten, kann - analog zu piezoelektrischen Multilayeraktoren - die absolute Auslenkung ohne Erhöhung der Betriebsspannung gesteigert werden.

Dieses Multilayerprinzip wurde für den Einsatz in taktilen Displays entwickelt, da hier zusätzlich eine hohe Aktordichte erforderlich ist. Um die Aktoren aber tatsächlich direkt am Menschen einzusetzen, sind einige Weiterentwicklungen erforderlich, die sowohl die Herstellung, als auch die verwendeten Materialien betreffen. Hierfür ist auch die Vertiefung des theoretischen Modells unabdingbar.

Denkbare Einsatzgebiete der Aktoren sind vor allem Stellantriebe, die sowohl in der Medizintechnik, als auch in der Automatisierungstechnik, angewandten Optik, sowie der Weltraumtechnik zum Einsatz kommen können. In der aktuellen Forschung am Institut EMK stehen die beiden folgenden Anwendungen im Mittelpunkt:

Opens internal link in current windowTaktiles Display

Opens internal link in current windowPeristaltische Pumpe

Ansprechpartner

Wissenschaftliche Mitarbeiter

Holger Mößinger, M.Sc.

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Florentine Förster-Zügel

Florian Klug, M.Sc.

Susana Solano-Arana, M.Sc.

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak

S3/06 128
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-23851
+49 6151 16-23852

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