Исследователи подают электрическое напряжение, и полимерная пленка немедленно начинает двигаться. Эта ультратонкая мембрана толщиной всего 50 микрометров примерно равна толщине человеческого волоса. Регулируя подаваемое электрическое напряжение, исследователи из команды профессора Пола Моцки могут заставить пленку совершать мощные пульсирующие движения, вибрировать с желаемой частотой или амплитудой, подниматься и опускаться с плавными волнообразными движениями или удерживать фиксированное положение. То, что может показаться простым фокусом, на самом деле лежит в основе нового класса миниатюрных актуаторов.

Благодаря возможности точного управления движением пленки, ее можно использовать для приложения локальных толкающих и тянущих сил, создавая движения, которые в противном случае потребовали бы использования двигателей или систем сжатого воздуха — и то, и другое требует места, энергии и обслуживания. Команда в Саарбрюкене интегрирует эти «умные» пленки в вакуумные насосы, способные откачивать воздух или жидкость из камеры. Вакуумные насосы повсеместно распространены и незаменимы в промышленных приложениях, от упаковочного оборудования и роботизированных захватов до медицинской техники.

Создание вакуума без сжатого воздуха и двигателя:
разрабатываемая в Саарбрюкене технология листовых материалов устраняет необходимость в тяжелых компонентах и ​​позволяет создавать легкие и компактные конструкции насосов. «Используя диэлектрические эластомеры — так называются эти электрочувствительные полимерные листы — мы можем адаптировать геометрию насоса к конкретным требованиям. Это означает, что мы можем создавать формы, которые технически невозможны при использовании традиционных подходов. Например, мы можем производить чрезвычайно тонкие, плоские конструкции, сравнимые по форме со смартфоном», — говорит Пол Моцки, профессор интеллектуальных материальных систем Саарландского университета и научный директор и управляющий директор Саарбрюккенского центра мехатроники и автоматизации (ZeMA). Насосы на основе листовых материалов надежно работают в компактных и чувствительных средах. Ключевым преимуществом технологии диэлектрических эластомеров является то, что она не требует дорогостоящих или труднодоступных материалов, таких как медь или редкоземельные элементы. А поскольку она работает без смазочного масла, она идеально подходит для чистых помещений и стерильных сред. «В зависимости от режима работы наши диафрагменные насосы также могут быть очень энергоэффективными», — говорит Моцки. Кроме того, их насосы работают очень тихо, что может значительно снизить уровень фонового шума в производственных цехах и на сборочных линиях.

Чем больше пленочных приводов используется, тем выше выходная мощность.
На Ганноверской ярмарке в этом году команда Пола Моцки представляет новый прототип, демонстрирующий возможности масштабирования их технологии. Их последний прототип вакуумного насоса оснащен двойным приводом. В прошлом году команда представила привод с одной пленкой в ​​одной насосной камере. В этом году они представляют прототип с двойным приводом, включающий два пленочных привода в двух насосных камерах. «Мы можем соединять два привода параллельно или последовательно, увеличивая давление, объемный расход и общую мощность», — объясняет Моцки.

Два диафрагменных привода могут работать в противоположных фазах: одна сторона находится в режиме всасывания, а другая — в режиме нагнетания. Это предотвращает падение производительности и позволяет насосу обеспечивать более высокие скорости потока и большее давление, быстро создавая непрерывный вакуум без циклов. Новая конструкция с двумя приводами обеспечивает значительное улучшение производительности. В то время как однокамерный насос мог достигать абсолютного давления около 300 мбар, новая система может работать при давлении ниже 200 мбар. «И мы можем соединять дополнительные диафрагмы последовательно или параллельно, чтобы еще больше адаптировать и повысить производительность в зависимости от требований применения», — говорит Моцки.

Еще один шаг к промышленному внедрению.
«Новая версия нашего насоса представляет собой еще один шаг к промышленному применению», — говорит Пол Моцки. Он и его команда потратили годы на разработку своей технологии диэлектрических эластомеров в рамках различных исследовательских проектов. Диэлектрический эластомер — это тонкая полимерная пленка, покрытая с обеих сторон высокогибким электропроводящим слоем. Когда исследователи подают напряжение на эластомерную полимерную пленку, эти электропроводящие слои притягиваются друг к другу, сжимая пленку и вызывая ее боковое расширение, увеличивая площадь поверхности. «Варьируя электрическое поле, мы можем с большой точностью контролировать движение эластомерной пленки, заставляя ее совершать плавные изгибающие движения, пульсировать или изгибаться с определенной частотой и амплитудой», — объясняет Моцки. В качестве альтернативы, они могут заставить пленку удерживать фиксированное положение без необходимости постоянного питания, поскольку диэлектрический эластомер потребляет энергию только тогда, когда он активно движется. Исследователи в Саарбрюкене используют пленку в качестве механического привода: миниатюрного двигателя, не требующего дополнительных датчиков.
«Эти пленки обладают самочувствительностью», — говорит Пол Моцки. Эта самочувствительность присуща диэлектрическим эластомерам: даже малейшее движение изменяет измеренную электрическую емкость пленки. Каждая деформация пленки создает характерную сигнатуру измерения, которую инженеры могут использовать для точного количественного определения пространственной конфигурации пленки в любой момент времени. Объединив данные о емкости с машинным обучением на основе искусственного интеллекта, команда разработала блок управления, способный прогнозировать и программировать последовательности движений и, таким образом, точно контролировать деформацию эластомерной пленки. Те же данные могут также использоваться для мониторинга состояния: они указывают, например, блокирует ли насос посторонний предмет или еще не достигнут безопасный вакуум.

Помимо разработки вакуумных насосов без двигателя, команда Моцки использует эту технологию для широкого спектра других применений, от роботизированных захватов и динамиков до «умного» текстиля и систем тактильной обратной связи для экранов смартфонов. Например, команда разработала «умную» промышленную перчатку, которая может реагировать на движения рук и пальцев оператора и передавать эту информацию компьютеру.

На Ганноверской выставке исследовательская группа ищет партнеров для разработки приложений, которые позволят вывести на рынок их технологию насосов на основе листового материала.

Введение:
Технология диэлектрических эластомеров продолжает изучаться и развиваться в рамках многочисленных магистерских и докторских исследовательских проектов. Результаты опубликованы в виде статей в различных научных журналах. Исследования также получили поддержку из многочисленных источников, включая ЕС и Немецкий фонд исследований (DFG). Правительство земли Саарланд оказало финансовую поддержку в рамках проектов FEDER iSMAT и Multi-Immerse. Дополнительное финансирование также было получено от ME Saar (Саарландская ассоциация металлургической и электротехнической промышленности).
Для облегчения передачи результатов своих исследований в коммерческий и промышленный секторы исследователи из Саарландского университета создали компанию mateligent GmbH, которая также представлена ​​на том же стенде на Ганноверской ярмарке в этом году.