Die Forscher legen eine elektrische Spannung an, und der Polymerfilm beginnt sich sofort zu bewegen. Mit nur 50 Mikrometern Dicke ist diese ultradünne Membran etwa so dick wie ein menschliches Haar. Durch Anpassen der angelegten Spannung kann das Team um Professor Paul Motzki den Film kraftvollen, pulsierenden Bewegungen aussetzen, ihn mit der gewünschten Frequenz oder Amplitude vibrieren lassen, ihn sanft wellenförmig auf und ab bewegen oder eine feste Position beibehalten. Was wie ein einfacher Partytrick anmutet, ist in Wirklichkeit die Grundlage einer neuen Klasse von Miniaturaktoren.
Da sich die Bewegung der Folie präzise steuern lässt, kann sie zur Erzeugung lokaler Druck- und Zugkräfte genutzt werden. Dadurch lassen sich Bewegungen realisieren, die andernfalls Motoren oder Druckluftsysteme erfordern würden – beides benötigt Platz, Energie und Wartung. Das Team in Saarbrücken integriert diese intelligenten Folien in Vakuumpumpen, die Luft oder Flüssigkeit aus einer Kammer absaugen können. Vakuumpumpen sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet und unverzichtbar – von Verpackungsmaschinen und Roboter-Greifern bis hin zur Medizintechnik.
Vakuumerzeugung ohne Druckluft oder Motor:
Die in Saarbrücken entwickelte Folientechnologie macht schwere Bauteile überflüssig und ermöglicht leichte, kompakte Pumpenkonstruktionen. „Durch den Einsatz dielektrischer Elastomere – so werden diese elektrisch reaktiven Polymerfolien genannt – können wir die Pumpengeometrie an spezifische Anforderungen anpassen. Dadurch lassen sich Formen realisieren, die mit herkömmlichen Verfahren technisch nicht umsetzbar wären. Beispielsweise können wir extrem dünne, flache Designs in der Form eines Smartphones herstellen“, erklärt Paul Motzki, Professor für Intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes und Wissenschaftlicher Direktor und Geschäftsführer des Saarbrückener Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA). Folienpumpen arbeiten zuverlässig in kompakten und sensiblen Umgebungen. Ein entscheidender Vorteil der dielektrischen Elastomertechnologie ist, dass sie keine teuren oder schwer zu beschaffenden Materialien wie Kupfer oder Seltenerdelemente benötigt. Da sie ohne Schmieröl auskommt, ist sie ideal für Reinräume und sterile Umgebungen geeignet. „Je nach Betriebsart können unsere Membranpumpen zudem sehr energieeffizient sein“, so Motzki. Darüber hinaus arbeiten ihre Pumpen sehr leise, was den Geräuschpegel in Produktionshallen und Montagelinien deutlich senken kann.
Je mehr Folienaktoren eingesetzt werden, desto höher ist die Leistung.
Auf der diesjährigen Hannover Messe präsentiert das Team von Paul Motzki einen neuen Prototyp, der die Skalierbarkeit ihrer Technologie veranschaulicht. Der neueste Vakuumpumpenprototyp ist mit einem Doppelantrieb ausgestattet. Im vergangenen Jahr stellte das Team einen Einzelfolienantrieb in einer einzigen Pumpkammer vor. Dieses Jahr präsentieren sie einen Doppelantriebsprototyp mit zwei Folienaktoren in zwei Pumpkammern. „Wir können die beiden Aktoren parallel oder in Reihe schalten und so Druck, Volumenstrom und Gesamtleistung erhöhen“, erklärt Motzki.
Die beiden Membranantriebe können in gegenphasigen Phasen arbeiten, wobei eine Seite saugt, während die andere fördert. Dies verhindert Leistungsabfall und ermöglicht der Pumpe höhere Fördermengen und größere Druckkapazitäten. So wird schnell und ohne Taktung ein kontinuierliches Vakuum erzeugt. Die neue Doppelaktuator-Konstruktion bietet eine deutliche Leistungssteigerung. Während die Einkammerpumpe einen Absolutdruck von ca. 300 mbar erreichte, kann das neue System bei Drücken unter 200 mbar absolut arbeiten. „Und je nach Anwendungsanforderungen können wir zusätzliche Membranen in Reihe oder parallel schalten, um die Leistung weiter anzupassen und zu steigern“, so Motzki.
Ein weiterer Schritt in Richtung industrielle Anwendung
: „Die neue Version unserer Pumpe ist ein weiterer Schritt hin zur industriellen Nutzung“, sagt Paul Motzki. Er und sein Team haben jahrelang in verschiedenen Forschungsprojekten an der Entwicklung ihrer dielektrischen Elastomer-Technologie gearbeitet. Ein dielektrisches Elastomer ist ein dünner Polymerfilm, der beidseitig mit einer hochflexiblen, elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet ist. Legt man an den elastomeren Polymerfilm eine Spannung an, ziehen sich diese elektrisch leitfähigen Schichten an, komprimieren den Film und dehnen ihn seitlich aus, wodurch sich seine Oberfläche vergrößert. „Durch Variation des elektrischen Feldes können wir die Bewegung des Elastomerfilms sehr präzise steuern und ihn so stufenlos biegen oder mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude pulsieren lassen“, erklärt Motzki. Alternativ kann der Film auch eine feste Position halten, ohne dass eine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist, da das dielektrische Elastomer nur dann Energie verbraucht, wenn es sich aktiv bewegt. Forscher in Saarbrücken nutzen den Film als mechanischen Antrieb: einen Miniaturmotor, der keine zusätzlichen Sensoren benötigt.
„Diese Filme sind selbstempfindlich“, sagt Paul Motzki. Diese Eigenempfindlichkeit ist dielektrischen Elastomeren inhärent: Schon die geringste Bewegung verändert die gemessene elektrische Kapazität des Films. Jede Verformung des Films erzeugt eine charakteristische Messsignatur, mit der Ingenieure die räumliche Konfiguration des Films zu jedem Zeitpunkt präzise quantifizieren können. Durch die Kombination der Kapazitätsdaten mit KI-basiertem maschinellem Lernen hat das Team eine Steuereinheit entwickelt, die Bewegungsabläufe vorhersagen und programmieren und so die Verformung des Elastomerfilms präzise steuern kann. Dieselben Daten können auch zur Statusüberwachung genutzt werden: Sie zeigen beispielsweise an, ob ein Fremdkörper die Pumpe blockiert oder ob noch kein sicheres Vakuum erreicht wurde.
Neben der Entwicklung motorloser Vakuumpumpen nutzt Motzkis Team diese Technologie für eine Vielzahl weiterer Anwendungen, von Roboter-Greifern und Lautsprechern bis hin zu intelligenten Textilien und haptischen Feedbacksystemen für Smartphone-Bildschirme. So hat das Team beispielsweise einen intelligenten Industriehandschuh entwickelt, der auf die Hand- und Fingerbewegungen des Bedieners reagiert und diese Informationen an einen Computer übermittelt.
Auf der Hannover Messe sucht das Forschungsteam nach Partnern für die Entwicklung von Anwendungen, mit denen ihre auf Folien basierende Pumpentechnologie auf den Markt gebracht werden kann.
Hintergrund:
Die Technologie dielektrischer Elastomere wird in zahlreichen Master- und Promotionsprojekten kontinuierlich erforscht und weiterentwickelt. Die Ergebnisse wurden in verschiedenen Fachzeitschriften veröffentlicht. Die Forschung wurde zudem von zahlreichen Institutionen, darunter der EU und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), gefördert. Das Saarland hat die Forschung über die FEDER-Projekte iSMAT und Multi-Immerse finanziell unterstützt. Weitere Fördermittel wurden vom Verband der Metallurgischen und Elektrotechnischen Industrie (ME Saar) bewilligt.
Um den Transfer ihrer Forschungsergebnisse in die Wirtschaft zu erleichtern, gründeten Forschende der Universität des Saarlandes die Firma mateligent GmbH, die auch auf der diesjährigen Hannover Messe am selben Stand ausstellt.
