Entwicklung bauraumoptimierter dielektrischer Elastomer-Aktoren und eines Prüfstandes zur Charakterisierung ihres Ermüdungsverhaltens

Abstract

Dielektrische Elastomere (DE) bieten durch ihre vielen Vorteile wie hohe Energiedichte, geringes Gewicht und lautlose Bewegung umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Aktorik und Sensorik. In der vorliegenden Arbeit steht unter anderem die Entwicklung einer neuen Klasse von dielektrischen Membran-Aktoren im Fokus. Dieser Aktor-Typ soll durch seine besondere Streifengeometrie primär als Ventilantrieb eingesetzt werden und ermöglicht, die Ventile platzsparend nebeneinander anordnen zu können. Speziell wird in dieser Arbeit die Entwicklung und Charakterisierung dieser Streifenaktoren in Abhängigkeit verschiedener Designparamater präsentiert. Weiterhin wird die Verwendung dieser DE als Aktoren und Sensoren zur gleichen Zeit, das sogenannte ‚Self-Sensing‘, untersucht. Dieser Effekt basiert auf der Änderung der Kapazität und des Widerstandes der Aktoren sowohl bei elektrischer Aktuierung als auch als Reaktion auf äußere Kräfte. Insbesondere wird die Möglichkeit untersucht, die Änderung der elektrischen Kenngrößen bei der Aktuierung durch analoge Schaltungstechnik zu detektieren. Des Weiteren wird die Entwicklung und Validierung eines Ermüdungsprüfstandes vorgestellt. Dieser Prüfstand dient zur Ermüdung der Streifenaktoren und soll die Untersuchung der Mechanismen dienen, die zum Versagen der Aktoren führen können. Der Prüfstand ist in der Lage, mehrere Aktoren zur gleichen Zeit bei verschiedenen Temperaturen und Luftfeuchtigkeitsgraden in einer Klimakammer zu ermüden.

Dielectric elastomers (DE) have many applications in the area of actuation and sensing because of their advantages like high energy density, low weight and silent movement. This work focuses primarily on the development of a new class of dielectric membraneactuators. The geometry of these actuators is strip shaped and was specially developed to be applied as valve drives. This strip shape allows the valves to be stacked up, thus saving space. This work presents the development and characterization of the strip-shaped actuators dependent on several design parameters. Furthermore this work investigates the application of these DE as actuators and sensors at the same time, the so called ‘self-sensing’ effect. This effect is based on the change in capacitance and resistance of the actuators at electrical actuation as well as on the actuators’ reaction to changing external forces. In particular this work examines the possibility of detecting the change of the electrical parameters while actuation with an analog circuit. Moreover, this work presents the development and validation of a fatigue test bench. This test bench fatigues the strip-shaped actuators and allows the examination of the mechanisms that could cause the failure of the actuators. The fatigue tester is located in a climate chamber and is able to fatigue various actuators at different environmental conditions, such as temperature and humidity.