Fraunhofer
»Künstlicher Muskel« wird elastisch
Als ressourcenschonende Alternative zu Elektromotoren oder hydraulischen Antrieben gelten dielektrische Elastomer-Aktoren, so genannte künstliche Muskeln. Forschern des Fraunhofer IWS in Dresden ist es nun gelungen, die Metall beschichteten Flächen der Elektroden durch elektrisch leitende Gummischichten zu ersetzen.
Der Aufbau der dielektrischen Elastomer-Aktoren, kurz DEA, ist im Prinzip sehr einfach: Zwischen zwei flächigen mit Metall beschichteten Oberflächen, die als Elektroden fungieren, liegt ein elektrisch isolierendes Dielektrikum aus elastomeren Materialien wie Gummi. Legt man nun eine elektrische Spannung an, so entsteht ein elektrostatischer Druck, der das weiche Gummimaterial zur Dehnung zwingt. Der einfache Aufbau war zugleich das Problem: Die Metallschichten reißen bei Dehnungen auf dem weichen Gummimaterial und werden so zerstört.
Material elektrisch leitend und isolierend
Bisher war die Suche nach einem Elastomer, das zugleich elektrisch leitend und isolierend ist, wenig erfolgreich. Den Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, des Fraunhofer-Instituts für Kermaische Technologien und Systeme IKTS – beide in Dresden – und der TU Dresden ist nun ein solches Material gelungen: Sie mischten winzige Mengen elektrisch leitfähiger Carbon-Nanofibrillen in ein Elastomer, welches nahezu identische Dehneigenschaften wie das elektrisch isolierende Gummimaterial aufwies – Das Elastomer wird somit leitfähig. Ein isolierender Gummikörper wurde mit diesem leitfähigen Material beschichtet und hielt in Dehnversuchen auch Millionen Zyklen stand.
Der nächste Schritt war, die DEAs mit Hilfe industrieller Standardtechnologien aufzubauen. Die dielektrischen Elastomer-Aktoren bestehen aus einer Vielzahl an abwechselnd leitfähigen und isolierenden 0,03 mm dicken Elastomer-Schichten. Dabei wurde nachgewiesen, dass sowohl Dickschickt- und Drucktechniken als auch großflächige Rolle-zu-Rolle-Technologien eingesetzt werden können. Gefertigt und getestet wurde eins o gefertigter Multilagen-Ring-Aktor aus elf aktiven Schichten und einer aktiven Flächen von 465 cm². Nach 140.000 Betriebszyklen war der Ring-Aktor noch voll einsatzbereit und erreichte Kräfte von rund 100 N.
Die Entwicklung der DEAs ist Teil des Forschungs- und Entwicklungsprojekts »Candela« und wurde aus Mitteln des BMBF finanziert und vom Projektträger VDI Technologiezentrum betreut.
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