Was sind Formgedächtnislegierungen (FGL)?

Formgedächtnislegierungen sind Metalllegierungen, zumeist aus NiTi, die im kalten Zustand bleibend verformt werden können und bei Erwärmung wieder in ihre Ausgangsform zurückkehren. 

Unsere Forschung zu Dielektrischen Elastomeren (DE) ...

... gliedert sich in die folgenden Teilbereiche auf:

  • Herstellung von dielektrischen Elastomeren mit industrietauglichen, skalierbaren Prozessen 

  • Experimentelle Charakterisierung des elektromechanischen Materialverhaltens

  • Entwurf von Aktor-/Sensorsystemen (DEA/DES)

  • Aufbau von Technologiedemonstratoren

  • Untersuchung des Self-Sensing-Effektes zum Aufbau kompakter, sensorloser Aktorsysteme

  • Modellierung DE-basierter Aktor-/Sensorsysteme

  • Entwicklung fortgeschrittener Ansteuerkonzepte für DEA/DES

  • Entwicklung miniaturisier- und integrierbarer Hochspannungselektronikkonzepte

Für einen Überblick über unsere Forschungsaktivitäten scrollen Sie bitte durch diese Seite ...

Was sind Dielektrische Elastomere?

Dielektrische Elastomere sind dünne Filme (20-200µm) aus z.B. Silikon, die mit hochflexiblen Elektroden bedruckt werden. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung im Kilovoltbereich ziehen sich die Elektroden an und komprimieren den Polymerfilm, der dabei gleichzeitig seine Fläche vergrößert.

Diesen Effekt nutzen wir für die Aktorik oder, da die Geometrieänderung auch eine Kapazitätsänderung bewirkt, für sensorische Zwecke, wie etwa zur Druck- oder Wegmessung. Koppelt man die beiden Effekte, spricht man vom Self-Sensing, so dass die Position eines DE-Aktors ohne weiteren externen Sensor bestimmt werden kann. 

Membranaktor
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Unsere Forschung zu Dielektrischen Elastomeren (DE) ...

... gliedert sich in die folgenden Teilbereiche auf:

  • Herstellung von dielektrischen Elastomeren mit industrietauglichen, skalierbaren Prozessen 

  • Experimentelle Charakterisierung des elektromechanischen Materialverhaltens

  • Entwurf von Aktor-/Sensorsystemen (DEA/DES)

  • Aufbau von Technologiedemonstratoren

  • Untersuchung des Self-Sensing-Effektes zum Aufbau kompakter, sensorloser Aktorsysteme

  • Modellierung DE-basierter Aktor-/Sensorsysteme

  • Entwicklung fortgeschrittener Ansteuerkonzepte für DEA/DES

  • Entwicklung miniaturisier- und integrierbarer Hochspannungselektronikkonzepte

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Was sind Dielektrische Elastomere?

Dielektrische Elastomere sind dünne Filme (20-200µm) aus z.B. Silikon, die mit hochflexiblen Elektroden bedruckt werden. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung im Kilovoltbereich ziehen sich die Elektroden an und komprimieren den Polymerfilm, der dabei gleichzeitig seine Fläche vergrößert.

Diesen Effekt nutzen wir für die Aktorik oder, da die Geometrieänderung auch eine Kapazitätsänderung bewirkt, für sensorische Zwecke, wie etwa zur Druck- oder Wegmessung. Koppelt man die beiden Effekte, spricht man vom Self-Sensing, so dass die Position eines DE-Aktors ohne weiteren externen Sensor bestimmt werden kann. 

Membranaktor
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Forschungsschwerpunkte

  • Entwicklung von SMA-getriebenen Miniaturaktorsystemen, Endeffektoren und Greifsystemen

  • DFG Schwerpunktprogramm 1599 "Ferroic Cooling" www.ferroiccooling.de

    • Entwicklung und Umsetzung eines Demonstrators zum ferroelastischen Kühlen

    • Modellierung und FE-Simulation des thermo-mechanisch gekoppelten Verhaltens von Formgedächtnislegierung

  • DFG Projekt SMArt Guide Wire 

    • Die Ziele des Forschungsprojektes "SMArt Guide Wire" bestehen in der Entwicklung eines umsetzbaren Lösungskonzeptes für einen aktuierbaren sensorintegrierten Führungsdraht. Dies geschieht mit Hilfe von SMA Mikrodrähten, welche eine situationsbedingte mechanische Anpassung der Führungsdrahtspitze während einer Koronarintervention (Erweiterung von verengten/verschlossenen Arterien, die kranzförmig das Herz umgeben) ermöglichen.

  • KMU-NetC des BMBF

    • FGAkt – „Entwicklung von neuartigen Formgedächtnisaktuatoren für die Anwendung in Spritzgießwerkzeugen“

  • EFRE Projekte

    • IProGro – „Innovative Produktionstechnologien für Großbauteile“: Ziel des Forschungsprojektes „IProGro“ ist die Entwicklung Innovativer Produktionstechnologien für Großbauteile. Um eine rekonfigurierbare und automatisierte Montage zu ermöglichen, werden adaptive Greifer mittels SMAs entwickelt. Das Vorhaben wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

    • ProForm – „Produktionstauglich stoffschlüssige Materialverbindung von Formgedächtnislegierungen zur mechanischen und elektrischen Kontaktierung“: In diesem Projekt werden artungleiche Mikro-Schweißverbindungen für FGL-Aktordrähte in Durchmessern unter 100 µm erforscht. Im Fokus steht die Integration in kleine Strukturen und die Automatisierbarkeit des Prozesses für die industrielle Produktion.

Funktionsprinzip: 

Formänderung durch Phasentransformation

Wie stellt man Dielektrische Elastomere her?

Zur Herstellung von DE-Membranaktoren bedrucken wir dünne Silikonfilme (z.B. Wacker ELASTOSIL) in unserem Reinraum mit hochdehnbaren Elektroden aus PDMS und Carbon Black. Dazu verwenden wir ein Siebdruckverfahren, welches durch seine inhaerente Skalierbarkeit auch gut zur Produktion in großen Stückzahlen geeignet ist. 

DE-Herstellung
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Wie stellt man Dielektrische Elastomere her?

Zur Herstellung von DE-Membranaktoren bedrucken wir dünne Silikonfilme (z.B. Wacker ELASTOSIL) in unserem Reinraum mit hochdehnbaren Elektroden aus PDMS und Carbon Black. Dazu verwenden wir ein Siebdruckverfahren, welches durch seine inhaerente Skalierbarkeit auch gut zur Produktion in großen Stückzahlen geeignet ist. 

DE-Herstellung
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Elektromechanische Eigenschaften / Experimente

Zur Auslegung von DEA/DES ist es zunächst erforderlich, ihr Materialverhalten genau zu kennen. Dazu haben wir eine Reihe moderner Testgeräte (zum Teil selbst entwickelt) zur Verfügung, um das elektromechanisch gekoppelte Verhalten systematisch zu charakterisieren. Hierzu gehören u.a. Zugversuche bei div. elektrischen Spannungen und dielektrische Durchschlagsmessungen, die auch in einem Klimaschrank ablaufen können, um Temperatur- und Feuchteeinflüsse mitzuerfassen. Weiterhin werden Schwingungscha-rakterisierungen per Laservibrometer oder Digital-Image-Correlation (DIC) zur Dehnungsfeld-bestimmung durchgeführt.

DE-Experimente
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Elektromechanische Eigenschaften / Experimente

Zur Auslegung von DEA/DES ist es zunächst erforderlich, ihr Materialverhalten genau zu kennen. Dazu haben wir eine Reihe moderner Testgeräte (zum Teil selbst entwickelt) zur Verfügung, um das elektromechanisch gekoppelte Verhalten systematisch zu charakterisieren. Hierzu gehören u.a. Zugversuche bei div. elektrischen Spannungen und dielektrische Durchschlagsmessungen, die auch in einem Klimaschrank ablaufen können, um Temperatur- und Feuchteeinflüsse mitzuerfassen. Weiterhin werden Schwingungscha-rakterisierungen per Laservibrometer oder Digital-Image-Correlation (DIC) zur Dehnungsfeld-bestimmung durchgeführt.

DE-Experimente
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Forschungsaktivitäten/Anwendungen

Trotz der hohen Spannungen fließen, je nach Kapazität des DEAs, oft nur Ströme im Mikroampèrebereich. Hierdurch lassen sich mit diesen Materialien extrem energieeffiziente und kostengünstige Antriebe realisieren, die aufgrund der Self-Sensing-Eigenschaft sogar ohne weitere Sensorik einen geregelten Betrieb zulassen. Blättern Sie durch die untenstehende Galerie, um sich ein Bild unserer Aktivitäten und vom Anwendungspotential dielektrischer Elastomermembranen zu machen.

Maus über Bild für zusätzliche Informationen, klicken öffnet den erweiterten Modus.

Forschungsaktivitäten/Anwendungen

Trotz der hohen Spannungen fließen, je nach Kapazität des DEAs, oft nur Ströme im Mikroampèrebereich. Hierdurch lassen sich mit diesen Materialien extrem energieeffiziente und kostengünstige Antriebe realisieren, die aufgrund der Self-Sensing-Eigenschaft sogar ohne weitere Sensorik einen geregelten Betrieb zulassen. Blättern Sie durch die untenstehende Galerie, um sich ein Bild unserer Aktivitäten und vom Anwendungspotential dielektrischer Elastomermembranen zu machen.

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Mechanische Spannung ruft in der Legierung (typischerweise NiTi) eine Phasentransformation und eine Deformation hervor, die selbst bei Entlasten bleibt. Durch Aufheizen kann diese Deformation rückgängig gemacht werden.

Vorteile

  • Geringes Gewicht

  • Hohe Energiedichte

  • Zuverlässig

  • Self-Sensing

  • Biokompatibilität

Anwendungsbeispiele: 

Intelligentes Inhalatorsystem zur gezielten Medikamentverabreichung

Chair for intelligent Material systems

Universität des Saarlandes
 

Address:

c/o ZeMA - Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH
Eschberger Weg 46, Gewerbepark, Gebäude 9 
66121 Saarbrücken

 

Tel.: +49 (0)681-302-71340

Fax: +49 (0)681–85787–11

© 2018 Professortship for intelligent material systems, mechatronics, University of Saarland