Multifunctional test rig for accelerated assessment of electromechanical characteristics and failure mechanisms of dielectric elastomer transducers

Abstract

Dielectric Elastomer Transducers (DETs) open up a wide range of innovative applications. While DET sensors are already in the market, actuator and generator derivatives are still in the research stage. Their further establishment requires extensive electromechanical testing under realistic operating and environmental conditions, especially with regard to reliability and long-term stability. However, the comprehensive test benches required for this purpose are not commercially available, and proprietary developments presented so far are limited in their functionality. In order to close the above-described gap, a multi-functional test rig is developed and demonstrated in the scope of this dissertation, which can be used for the accelerated assessment of the electromechanical characteristics and the failure mechanisms of DETs. It allows for testing of DET materials, elements and systems of different application fields and construction types and provides versatile electromechanical test routines within various controlled constant temperature and humidity environments. Experiments can individually be programmed and run simultaneously on multiple test stations. Furthermore, automatic monitoring with remote access allows for uninterrupted 24/7 long-term operation. A general validation of the test rig is conducted on the test rig, and its versatility is demonstrated by the systematic characterization of a specially designed rectangular-shaped planar DET.

Dielektrische Elastomer-Wandler (DETs) eröffnen ein breites Spektrum innovativer Anwendungen. Während DET-Sensoren bereits erste Marktbewegungen verzeichnen, sind Aktor- und Generator Derivate bisher nur Forschungsgegenstand. Ihre weitere Etablierung erfordert umfangreiche elektromechanische Prüfungen unter realistischen Betriebs- und Umgebungsbedingungen, insbesondere bezüglich Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität. Jedoch sind die dazu erforderlichen Prüfanlagen nicht kommerziell verfügbar, und bisher vorgestellte Sonderentwicklungen in ihrer Funktion eingeschränkt. Um diese Lücke zu schließen, wird in der vorliegenden Dissertation ein multifunktionaler Prüfstand entwickelt, der zur beschleunigten Evaluierung des elektromechanischen Verhaltens und der Schädigungsmechanismen von DETs eingesetzt werden kann. Er ermöglicht das Prüfen von DET-Materialien, -Elementen und -Systemen verschiedener Anwendungsfelder und Bauart und bietet vielseitige elektromechanische Prüfroutinen innerhalb kontrollierter Temperatur- und Feuchtigkeitsumgebungen. Tests können individuell programmiert und auf mehreren Stationen simultan ausgeführt werden. Eine automatische Testüberwachung mit Fernzugriff ermöglicht einen unterbrechungsfreien 24/7 Langzeitbetrieb. Im Rahmen der Arbeit erfolgt eine generelle Validierung des Prüfstands. Seine vielseitige Einsetzbarkeit wird anhand der systematischen Charakterisierung eines speziell entworfenen streifenförmigen DETs exemplarisch demonstriert.