Dielektrische Elastomere - Grundlage für energieeffiziente und kompakte Antriebssysteme in dynamischen Schalt- und Fluidanwendungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Charakterisierung und anwendungsspezifischen Optimierung diverser Bauarten Dielektrischer Elastomeraktoren hinsichtlich Schnelligkeit, Energieeffizienz, Dynamik und Kompaktheit. Ein solcher Aktor ist ein mechatronisches Antriebssystem, das durch die Kopplung eines oder mehrerer Vorspannelemente und einer dielektrischen Elastomermembran bei Anlegen einer elektrischen Spannung Bewegungen ausführen kann. Innerhalb der Arbeit wird zunächst der Einsatz in einem elektrischen Schaltschütz untersucht. Das entwickelte Antriebssystem zeigt bei gesteigerter Performance eine erhebliche Effizienzsteigerung und benötigt lediglich 0,5% der Energie einer herkömmlich verwendeten Magnetspule. Außerdem wird im Rahmen dieser Arbeit ein quasistatisches Auslegeverfahren erweitert und an periodische Anwendungen wie haptische Displays, Vibrationsrinne und Pumpen angepasst. Nach erfolgreicher Validierung des neuen Schemas werden zwei Kompressoren mit unterschiedlicher Bauform entwickelt und validiert. Bei einem der Prototypen wird dabei der nahezu siebenfache Normvolumenstrom und 21-fache Maximaldruck im Vergleich zu der bis dahin leistungsstärksten DE-basierte Pumpen aus der Literatur erreicht. Zur Verbesserung der anwendungsspezifischen Skalierbarkeit wird schließlich innerhalb dieser Arbeit ein für die anwendungsspezifische Anpassung neuartiges Mehrlagenkonzept entworfen, das mit standardisierten Serienprozessen gefertigt werden kann.

The present work focuses on experimental characterization and application-specific design optimization of different types of dielectric elastomer actuators. Such mechatronic drive systems obtained by combining a dielectric elastomer membrane with a mechanical pre-loading mechanism are capable to perform a stroke when applied a high voltage. By means of the developed design methodologies, dielectric elastomer actuators can be optimized in terms of speed, energy efficiency, dynamics, and compactness. In the first part of this thesis, the use of dielectric elastomer technology in a contactor is examined. The developed drive system shows considerable energy savings. With the same dynamic performance, it only requires 0.5% of the energy of the conventionally used magnetic coil. In the second part of the work, a quasi-static design method is expanded and adapted to dynamic applications, such as haptic displays, vibratory feeder, and compressors. After successful validation, two compressor prototypes based on actuators with different geometries are developed and validated. One of the prototypes achieves an almost seven times higher standard volume flow and 21 times higher maximum pressure, compared to the most powerful DE-based pump currently reported in the literature. To improve the application-specific scalability of DE actuators, a novel multilayer concept has also been designed within this work. In the future, it will allow manufacturing with standardized industrial processes.