Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Projektskizze: Additive Herstellung dielektrischer Elastomere für die industrielle Anwendung (AMDEA)

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Forschungsziel

Ziel des Projektvorhabens ist es, funktionsfähige mechatronische Wandler in einem Herstellungsprozess additiv zu fertigen, die für die industrielle Anwendung konzeptioniert sind um somit die technologische Überlegenheit gegenüber herkömmlichen Ansätzen zu zeigen. Weiterhin sollen für die Applikation der flexiblen Aktoren bzw. Sensoren unterschiedliche Fertigungsstrategien gewählt und evaluiert werden, woraus sich Richtlinien für die Herstellung und den Einsatz dieser Systeme ableiten lassen. Diese vereinfachen den Technologieeinstieg für interessierte Anwender und machen die Smart Materials einem breiteren Anwenderspektrum zugänglich.

Beschreibung

Seit vielen Jahren sind dielektrische Elastomere (DE) als sog. „Smart Materials“ Gegenstand intensiver Forschungsarbeit. Dabei konnte bereits das hohe Potenzial von DE anhand beispielhafter Applikationsdemonstratoren aus verschiedensten Bereichen gezeigt werden. Im Einsatz als Aktoren dienen DE zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Bewegung, wohingegen die veränderlichen elektrischen Kennwerte für Signale im sensorischen Einsatz genutzt werden. Der Aufbau ähnelt dem eines flexiblen Plattenkondensators mit hochflexiblen Elektroden und einem dünnen isolierenden Polymerfilm dazwischen. Durch Anlegen einer Hochspannung führt die elektrostatische Anziehungskraft der beiden flächigen Elektroden zu einem Druck auf das zwischen ihnen befindlichen Material. Diese Kraft führt zu einer Dickenreduktion und aufgrund der Inkompressibilität zu einer Ausdehnung in der Elektrodenebene. Die Geometrieänderung, die auch durch eine externe mechanische Beanspruchung verursacht werden kann, führt weiterhin zu einer Kapazitätsänderung, welche als Sensorsignal und als Feedback für einen geregelten Aktor genutzt werden kann. Weitere Vorteile von DE liegen vor allem in ihrem geringen Gewicht, den geringen Herstellungskosten, der Energieeffizienz und ihrer hohen Anpassbarkeit.

Allerdings werden Elektroden in vielen Forschungsarbeiten noch manuell aufgetragen, dielektrische Schichten händisch gegossen und die Systeme sind insgesamt nur schwierig, als gesamtheitliche Produkte im industriellen Kontext herzustellen. Die kommerzialisierten Sensoren einmal von der Firmen Leap Technologies und von der Firma StrechSense, die in Motion Capturing Anwendungen eingesetzt werden, sind die einzigen beiden Beispiele für eine auf dem Markt befindliche integrierte Technologie auf Basis von DE. Jedoch müssen diese noch für einen idealen Betrieb von potenziellen Kunden auf den jeweiligen Einsatzfall angepasst werden.

Die große Anpassbarkeit dieser Technologie mit all ihren Vorteilen bietet enormes Potenzial, macht sie jedoch für den Anwender sehr unübersichtlich und nur schwer zugänglich. Es mangelt nicht nur an zuverlässigen und wirtschaftlichen Herstellungsverfahren, sondern auch an reellen Applikation im industriellen Einsatz. Vor allem kleine und mittelständische Unternehmen können das mit einem Einstieg in eine neue Technologie verbundene Risiko nicht eingehen und besitzen häufig keine eigenen Entwicklungsabteilungen mit ausreichender Kapazität.

Abbildung: Druck von RTV-2 Silikonen; Quelle: FAPS; FAU

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU

Aufgrund der Größe von KMU haben diese nur selten eine eigene Forschungs- und Entwicklungsabteilung und sind daher häufig auf das Know-how externer Firmen und Partner angewiesen. Durch die Vorentwicklung im Rahmen des Projekts profitieren die beteiligten Unternehmen direkt von den Projektinhalten und generieren dadurch einen Innovationsvorsprung. Die beispielhaften Anwendungen können zusätzlich als Ausgangspunkt und Referenz für weitere verwandte Applikationen dienen.

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