Intelligente Antriebssysteme für dynamische Anwendungen auf Basis dielektrischer Elastomere

Abstract

Dielektrische Elastomere (DE) ermöglichen die Entwicklung leichter, geräuschloser und ressourcenschonender Systeme, die als Aktoren eine sehr hohe Flexibilität aufweisen. Dies betrifft sowohl Design- als auch Ansteuerungsmöglichkeiten. Als intelligente Materialien können DE zusätzlich als Sensoren genutzt werden. Ihr großer Arbeitsbereich in Bezug auf Dehnung und Frequenz ist die Grundlage für ein weites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten. Ziel dieser Arbeit ist es, innovative Systemkonzepte zu entwickeln, welche die Ansteuerungsmöglichkeiten in höheren Frequenzbereichen ausnutzen, sowie die dafür nötigen dynamischen Grundlagen zu erforschen. Am Beispiel einer smarten Vibrationsmassage wird DE-Aktorik zur Erzeugung der Vibration genutzt, während die sensorischen Eigenschaften für die Überwachung des Systemzustands zuständig sind. Die Massage kann somit optimal an Benutzer:innen angepasst werden. Erweiterte Auslegungskonzepte ermöglichen die systematische Betrachtung einer veränderlichen Gewichtslast sowie eines einstellbaren Systemdrucks. Um darauf aufbauend auch intelligente Systeme für noch höhere Frequenzbereiche zu entwickeln, stellt der zweite Teil das per Laservibrometrie untersuchte dynamische Membranverhalten der DE beim Übergang bis in den akustischen Bereich vor. Das resultierende Frequenzverhalten, die entstehenden Moden sowie insbesondere der Einfluss durch verschiedene Parameter bilden die Basis für die Entwicklung komplexer hochfrequenter Aktor-Sensor-Systeme.

Dielectric elastomers (DE) enable the development of lightweight, silent and resource-saving systems. In actuator systems, they offer a high degree of flexibility in terms of design and control options. Being classified as a smart material, DE can additionally be used as sensors. Their large operating range regarding material strain and frequency creates the basis for a wide range of possible applications. The goal of this work is the development of innovative system concepts that exploit the actuation capabilities in higher frequency ranges and to explore the necessary dynamic fundamentals. At the example of a smart vibration massage system, the DE actuator technology is used to generate the vibration, while the sensing capabilities are responsible for monitoring the system state. This allows an optimal massage adaption to individual users. The developed advanced system concepts include systematic consideration of variable weight loads as well as adjustable system pressure. For the development of intelligent systems in even higher frequency ranges, the second part presents the dynamic DE membrane behavior in transition to the acoustic frequency range, which is investigated by laser vibrometry. The resulting frequency behavior, the forming modes and specifically the influence of various parameters create the basis for the development of complex high-frequency actuator-sensor systems.