Antrieb per Material-Expansion

Konstruieren mit form- und volumenveränderlichen Werkstoffen

Für Stellbewegungen mit kurzen Wegen und begrenzten Kräften greifen Konstrukteure mit Weitblick immer öfter zu unkonventionellen Aktoren. Der kleinen Baumaße und der einfachen Ansteuerbarkeit wegen, aber auch aufgrund der Langzeitbeständigkeit bei nahezu keinem Verschleiß. Nicht nur Piezoaktoren sind im Spiel, wenn elektrischer Strom Werkstoffe aktorisch nutzbar expandieren lässt. Auch mit Polymerwerkstoffen lässt sich solches erreichen. Wie auch mit magneto-rheologischen und magneto-striktiven Aktoren sowie Formgedächtnisantrieben. Einen aktuellen Überblick über die Welt der smarten Aktoren bietet die Kongressmesse ACTUATOR vom 13. bis 15. Juni in der MESSE BREMEN.

Die Entwicklung der smarten Aktoren schreitet in Riesenschritten voran und damit auch deren industrielle Anwendung. Der Automobilbau nutzt sie, weil kein anderes System eine vergleichbar hohe Leistungsdichte bietet oder um in der Großserienproduktion Geld zu sparen. Die Luft- und Raumfahrt setzt sie ein, weil sie leicht und leistungsstark sind und wartungsarm obendrein. Und aus der Kommunikationstechnik sind sie längst nicht mehr wegzudenken, zumal sie die Möglichkeit bieten, aktorische Funktionen, wie das Fokussieren von Kameralinsen, in Leiterplatten zu integrieren. Sucht man den gemeinsamen Nenner der in vielfältigen Ausprägungen verfügbaren unkonventionellen Aktoren, führt dies am ehesten zur „aktorischen Funktionserfüllung ohne aufwändige Mimik“. Genau das macht es interessant, sich mit der neuen Antriebstechnik zu befassen – zumindest für vorausdenkende Ingenieure, nicht für die Verwalter dessen, was ihre Vor-Vorgänger schon vor Jahrzehnten erdacht hatten.

Zu den bekanntesten smarten Aktoren gehören Piezoaktoren, die bereits millionenfach für die Kraftstoff-Direkteinspritzung und für die Fokussierung in Smartphone-Kameras verwendet werden. Weitaus weniger bekannt sind elektrisch und dielektrisch aktive Polymere. Kunststoffe dieser Gattung dehnen sich beim Anlegen einer Spannung aus und erzeugen damit eine nutzbare Bewegung. Landläufig wird ihnen allerdings nachgesagt, sie könnten in Bezug auf Kräfte und Hubwege mit Elektromagneten oder Pneumatikzylindern nicht konkurrieren. Dem widerspricht Steffen Hau vom Lehrstuhl für Unkonventionelle Aktorik an der Universität des Saarlandes entschieden: „Wir präsentieren am 13. Juni auf der ACTUATOR neue DEAP-Membran-Aktoren, die mit dem Vorurteil aufräumen wollen, solche Aktoren seinen nur für einen sehr geringen Kraftbereich und minimale Hübe geeignet.“ Diese Aussage untermauert Hau mit einem weiteren Statement: „Unser neues DEAP-Aktorkonzept steigert die Ausgangsleistung vom niederen einstelligen Bereich auf 75 Newton und mehr, bei einem Hub von immerhin 2,25 Millimeter. Hiermit können DEAP-Aktoren nun auch mit Voice Coil Aktoren und sogar mit kleinen Pneumatikzylindern konkurrieren.“

Der Begriff „elektroaktive Polymere (EAP)“ trifft auf zwei unterschiedliche Arten von Polymeren zu: ionische und elektrische. Bei ionischen EAPs führen bewegliche Ionen innerhalb des Elektrolyten beim Anlegen einer elektrischen Spannung zum Anschwellen des Polymers und erzeugen auf diese Weise eine Bewegung. Unter den Begriff „elektrische EAP“ fallen sowohl ferroelektrische als auch dielektrische. Die ferroelektrischen wirken über den piezoelektrischen Effekt, während dielektrische EAP Coulomb-Kräfte ausnutzen, also die elektrostatischen Kräfte zwischen zwei Ladungen.

Dielektrisch elektroaktive Polymere (DEAP) bestehen in der Regel aus zwei flächigen dehnbaren Elektroden, die durch eine nichtleitende Elastomerfolie aus Silikon, Acryl, Polyurethan oder anderen Polymeren getrennt sind und somit einen Kondensator bilden. Eine an die Elektroden angelegte elektrische Spannung führt daher auf den Elektroden zur Bildung von elektrischen Ladungen. Die von den Ladungen ausgehenden Coulomb-Kräfte bewirken die gegenseitige Anziehung der Elektroden auf der Ober- und Unterseite. Hieraus resultiert eine Dickenänderung der Elastomerfolie, worauf sich aufgrund der Inkompressibilität des Elastomerfilms die Fläche vergrößert. Die Betriebsspannung liegt in der Regel zwischen einem und zehn Kilovolt. Dieser vorab gewährte Einblick in seinen Vortrag schließt Steffen Hau mit diesem Statement ab: „DEAP sind eine vielversprechende Technologie, um leichte, energieeffiziente und skalierbare Aktuatoren und Sensoren herzustellen. Pumpen, optische Schalter, Braille-Displays und Lautsprecher sind potentielle Anwendungen dafür. DEAP können auch in Sensoren für Druck und Gewicht Anwendung finden.“

Mit seinem Vortrag geht Mathias Rechel vom Institut für Mikroproduktion an der Leibniz Universität Hannover noch ein ganzes Stück über die bislang bekannten Funktionalitäten eines Braille-Blindenschrift-Displays hinaus. Zusammen mit einem Team junger Wissenschaftler forscht er an einem haptischen Display, mit dem eines Tages die verschiedensten Oberflächenstrukturen fühlbar gemacht werden sollen. Aktoren sollen bei diesem Konzept das taktile Empfinden ermöglichen und Reize miteinander koppeln. Statt dem aus der Displaytechnik bekannten „WYSIWYG“, dem „What You See Is What You Get“ kann künftig vielleicht von “WYSAFIWYG” die Rede sein: “What You See And Feel Is What You Get”. Dass dieser Entwicklung im Zeitalter des E-Commerce eine wachsende Bedeutung zukommt, dafür braucht es kaum großer Überzeugungskraft.

Das Forschungsprojekt „taktiles Display für Virtual-Reality-Anwendungen“ beinhaltet die Konzeptionierung eines neuartigen taktilen Displays, um Sinneseindrücke nachzubilden, welche die haptische Reizwahrnehmung ansprechen. Das hierfür zu entwickelnde Display soll in der Lage sein sowohl Normalkräfte als auch Scherkräfte je Erreger-Pin zu induzieren. Den Prototyp eines „Normal Force Actuators“ stellt Hau im Rahmen seines Vortrages detailliert vor.
Auch im Bereich der Mikro- und Nano-Positionierung gibt es Neues: einen Tisch für die Aufnahme von Werkstücken oder Instrumenten, der vollkommen frei im Raum schwebt und auf allen drei Grundachsen, X, Y und Z sogar zusätzliche Neigebewegungen ausführen kann. Damit kommt die von Physik Instrumente entwickelte Innovation auf sechs Freiheitsgrade. Obwohl der Tisch ohne jegliche mechanische Führung auskommt, soll er eine sehr hohe Steifigkeit bieten. Wie das erreicht wird und warum der neue Tisch mit seinen 6-DOF kostengünstig hergestellt werden kann, darüber referiert Dr. Rainer Glöß, der bei PI die Forschung und Entwicklung im Bereich der Hightech-Mechatronik leitet. Soweit die kleine Vorschau auf die weltweit anerkannte Kongressmesse, mit Referenten und Besuchern aus aller Herren Länder.

Weitere Informationen finden Sie im Internet: www.actuator.de.

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