Das Projekt Mini EAP am Forschungszentrum- ZeMA gGmbH Saarbrücken

Mini EAP – Miniaturisierung elektroaktiver Polymersysteme für Sensor – und Aktoranwendungen

In dem EFRE gefördertem Projekt wird die Miniaturisierung von dielektrischen Elastomeren in den Millimeter Bereich erforscht. Es werden sowohl metall-kohlenstoffhaltige, sandwichartige Dünnschichten für die Herstellung der Elektroden als auch neue Arten der Anwendungen erforscht.

Das Projekt ist eine Kollaboration des Lehrstuhls für intelligente Materialsysteme unter der Leitung von Prof. Seelecke von der Universität des Saarlandes und der Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnik unter der Leitung von Prof. Schultes von der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes.

Problemstellung

Elektroaktive Polymere (EAP) gewinnen aufgrund ihrer Eigenschaften wie geringes Gewicht, geringe Herstellungskosten, Energieeffizienz und gleichzeitige Nutzbarkeit als Aktor und Sensor, immer mehr an Bedeutung. Bisherige Anwendungen liegen allerdings eher im makroskopischen Bereich. Eine Miniaturisierung dieser Technologie würde neue Anwendungsfelder erschließen und zu Systemen mit neuer Funktionalität führen.

Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf medizintechnischen Anwendungen und der Mensch-Maschine-Interaktion. Vorstellbar sind beispielsweise kostengünstige Pumpen, Ventile und Drucksensoren für Lab-on-a-Chip-Systeme im medizinischen Bereich.
Aber auch Bedienfelder (touch screens) mit rekonfigurierbarer Topologie oder Gestensteuerungen (z.B. per Handschuh) sind mit dieser Technik ebenfalls denkbar.
In beiden Fällen kann zusätzlich ein haptisches Feedback generiert werden, um dem Bediener eine mechanisch fühlbare Antwort zu vermitteln.

Zielsetzung

Um die Miniaturisierung der Technologie realisieren zu können sind einerseits neue und verbesserte Herstellungsmethoden notwendig, andererseits sind zur Systemauslegung relevante, angepasste Tools und miniaturisierte Vorspannmechanismen Notwendig. Auf ersteres konzentriert sich insbesondere die AG Schultes und der zweite Teil wird von der AG Seelecke entwickelt.

Das Projekt widmet sich grundlegenden Forschungsarbeiten zur Miniaturisierung elektro-aktiver Sensor- und Aktorsysteme. Ausgehend von heutigen Prototypen im cm-Bereich, werden Dimensionen im mm-Bereich und kleiner angestrebt. Dabei soll gleichzeitig die technologische Basis für neue Aktor- und Sensoranwendungen erweitert werden. Die Auflösung der ansteuerbaren Elemente (Pixel) könnte somit deutlich erhöht werden. Dazu wird zum einen die Systemauslegung bearbeitet, indem geeignete Arrayanordnungen mit miniaturisierten mechanischen Vorspannmechanismen zu erforschen sind. Mechanisch bistabile, auf Polymerbasis realisierbare, aus der Ebene der Folie heraustretende Vorspannelemente bilden die Elementbasis für die verschiedenen Pixel.

Zum anderen werden neue Materialien und Methoden zur Herstellung der konformen Elektroden untersucht. Durch Plasmabeschichtungsverfahren (Sputtern) werden leitfähige dünne Metall-Kohlenstoff-Schichten im Nanometerbereich aufgebracht. Die Strukturierung solcher Schichten soll mit Hilfe eines Ultrakurzzeitlasers realisiert werden.. Um eine hohe Dehnbarkeit und Konformität der leitfähigen Elektrodenschichten zu erreichen, wird die Dünnschicht auf eine vorgedehnte Folie aufgesputtert.

Vorgehen

In diesem Projekt werden zwei sich ergänzende Expertisen aus den saarländischen Hochschulen zusammengebracht. Die Forschungsgruppe von Prof. S. Seelecke ist international ausgewiesen und verfügt u.a. über breite Erfahrungen im Bereich der EAP-Systeme. Dabei stehen insbesondere die Herstellung der Folienverbunde, die komplette Systemauslegung bis zu aktorisch wirkenden Mechanismen, deren Modellierung, Messung und Charakterisierung im Vordergrund. Der Anwendungsbezug ist durch viele Kooperationsprojekte aus der Industrie gegeben. Die Forschungsgruppe von Prof. G. Schultes bringt hingegen langjährig aufgebautes Know-How zur Sensorik, Herstellung und Mikrostrukturierung von Dünnschichten und der Auslegung von Kraft- und Drucksensoren ein. Erfahrungen und Forschungsergebnisse zu eigens in der Arbeitsgruppe entwickelten hochempfindlichen Sensordünnschichten bilden die Basis für EAP-Elektroden. Notwendige und aufwendige Anlagen und Messgeräte stehen in beiden Gruppen zur Verfügung.

In Kooperation der beiden Forschungsgruppen werden erste Demonstratoren entwickelt, hierbei konzentriert sich die Gruppe Schultes insbesondere auf die Herstellung neuer, gesputterter Elektroden sowie die Strukturierung der Elektroden und die Gruppe Seelecke auf die Auslegung des Sensor – Aktorsystems sowie die Erforschung miniaturisierter Vorspannmechanismen.

Ergebnisse / Projektstand

Das Projekt wurde Anfang 2018 gestartet und läuft mindestens 3 Jahre. Der Arbeitsplan ist so aufgebaut, dass die Inhalte der Arbeitspakete parallel beginnen und zum Projektende einen gemeinsamen Projektstand in Form eines Demonstrators erreicht wird. Die gesputterten Elektroden können mit guter Auflösung aufgebracht werden und flexible, auf Polymerfolie basierende, Vorspannmechanismen können mit vergleichbarer Performance zu Metall basierten Vorspannmechanismen ausgelegt werden.

Verwertungskonzept:

Innerhalb des Projektes wird ein Demonstrator zunächst für 1 Aktor Element und folgend für mehrere Aktor Elemente entwickelt.
Zusätzlich wird der Demonstrator und die Forschungsergebnisse genutzt, um weiterführende Forschungsprojekte zu beantragen und durchzuführen. Darüber hinaus wird das Equipment und die Erkenntnisse zu Lehre- und Weiterbildungsmaßnahmen eingesetzt.

Laufzeit: 01.01.2019 – 31.12.2021
Gefördert von: EU EFRE