DECMAS - Dielectric Elastomer Membranes for Cooperative Micro-Actuator/Sensor Concepts

Das Projekt DECMAS wird von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) gefördert und ist Teil des DFG Schwerpunktprogrammes SPP 2206 KOMMMA. Neuartige, miniaturisierte und kooperative dielektrische Aktorkonzepte werden erforscht.

Das Projekt ist eine Kollaboration des Lehrstuhls für intelligente Materialsysteme unter der Leitung von Prof. Seelecke von der Universität des Saarlandes (UdS), der Forschungsgruppe für adaptive polymerbasierte Systeme unter der Leitung von Jun.-Prof. Rizzello der UdS, sowie der Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnik unter der Leitung von Prof. Schultes von der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW).

Problemstellung

Dielektrische Elastomere sind dünne Elastomerfolien, welche auf beiden Seiten mit einer flexiblen Elektrode beschichtet werden. Sie vereinen positive Eigenschaften wie geringes Gewicht, niedrige Herstellungskosten und Energieeffizienz. Der gleichzeitige Einsatz als Sensor und als Aktor macht diese Technologie besonders reizvoll. Heutige Anwendungen sind eher im makroskopischen Bereich zu finden. Die Entwicklung hin zu miniaturisierten Konzepten ist somit das Ziel dieses Projektes und bringt gleichzeitig einige Herausforderungen mit sich.
Die Interaktion und Kooperation zwischen benachbarten, sich immer weiter annähernden Aktoren bzw. Sensoren auf DE-Basis, ist bisher noch nicht erforscht. Weiterhin müssen neue Designkonzepte, Herstellungsverfahren, sowie eine speziell auf kleine Aktoren angepasste Elektronik entwickelt werden. Die Elektrode selbst muss ebenfalls für den Miniaturisierungsprozess geeignet sein.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist es, die Miniaturisierung von dielektrischen Aktorkonzepten weiter voranzutreiben und die dabei auftretenden Probleme zu verstehen und zu beheben. Beginnend mit der Forschung im makroskopischen Bereich, wird eine sukzessive Verkleinerung der entsprechenden Bauteile in den Millimeter-Bereich angestrebt. Am Ende des Projektes soll ein Technologiedemonstrator entstehen, welcher ein Array aus miniaturisierten, miteinander kooperierenden DE Aktoren und Sensoren zeigt.

Vorgehen

Insgesamt 3 Forschergruppen von HTW (AG Schultes) und UdS (AG Seelecke, AG Rizzello) arbeiten gemeinsam an der Realisierung dieses Projektes. Computergestützte modellbasierte und FEM-Simulationen (AG Rizzello) werden genutzt, um die elektro-mechanischen Abläufe der DE-Aktor-Arrays zu verstehen, zu visualisieren und zu optimieren. Weiterhin kann die Interaktion zwischen benachbarten Arraypunkten per Simulation erforscht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Designoptimierung und in die Erarbeitung von Lösungsansätzen für etwaige Prototypen ein. Zusätzlich werden Algorithmen für das Self-Sensing und zur Ansteuerung der Aktoren in diesem Arbeitspaket entwickelt.
Die AG Seelecke arbeitet parallel im zweiten Arbeitspaket an der praktischen Umsetzung des DEA-Arrays. Das Ziel ist es, ein funktionierendes Gesamtsystem zu entwickeln, bei dem alle Aspekte wie z.B. Herstellung, Aufbau, Kontaktierung, Ansteuerung, etc. aufeinander abgestimmt werden müssen. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Simulationen aus dem ersten Arbeitspaket ein, wodurch wiederum bessere Vorhersagen für weitere Iterationen getroffen werden können.
Das dritte Arbeitspaket erforscht die Entwicklung neuartiger metallischer dehnbarer Elektroden, welche auch nach mehreren Millionen Zyklen noch gute elektromechanische Eigenschaften aufweisen müssen. Metallische Dünnschichten, welche auf eine vorgespannte Silikonfolie aufgesputtert werden, stehen dabei im Fokus der Arbeit. Mittels eines Lasers soll anschließend nahezu jede beliebige Elektrodengeometrie ausgeschnitten werden. Die dadurch gewonnene Designfreiheit spielt im Minaturisierungs- und Optimierungsprozess eine entscheidende Rolle.

Ergebnisse / Projektstand

Das Projekt mit einer Laufzeit von 3 Jahren endet im Herbst 2022. Alle drei Arbeitsgruppen arbeiten parallel an ihren Arbeitspaketen. Eine enge Abstimmung und Synchronisierung der der Forschungsaktivitäten garantiert einen größtmöglichen Fortschritt. Aktuell befinden sich erste Konzepte in der Realisierungsphase. Makroskopische Demonstratoren und Arrays werden bereits hergestellt und charakterisiert.

Projektbearbeitung: Sipontina Croce (AG Rizzello); Julian Neu (AG Seelecke); Jonas Hubertus (AG Schultes)
Projektleitung: Jun.-Prof. Dr. Gianluca Rizzello
Laufzeit: 01.10.2019 – 30.09.2022
Gefördert von: DFG