Einzigartige Plattformtechnologie für Dielektrische Elastomer-Aktoren aus Dresden

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1 Dr. Irene Jansen Prof. Dr. Andreas Richter Dr. Oliver Jost Dr. Andreas Schönecker Einzigartige Plattformtechnologie für Dielektrische Elastomer-Aktoren aus Dresden Exzellente aktorische Performance Flexibles und skalierbares Aktordesign Außerordentlich hohe Lebensdauer Hoher Durchsatz bei der Herstellung KOSTENGÜNSTIG Polymere & Schichtbildung Aktorik & Polymere Füllstoffe & Schichtbildung Aktorik & Füllstoffe

2 Grundlagen Wirkprinzip Dielektrischer Elastomere Spannung aus + Spannung ein Elektrode F = e r e 0 U d 2 Dielektrikum Elektrode Ruhezustand Einzigartige Kombination - Kompression Einfaches elektromechanisches Funktionsprinzip Große Auslenkungen mit hoher Präzision Sehr hohe spezifische Energiedichte Variable Schalt- und Arbeitsgeschwindigkeit Unvergleichbare Designfreiheit Skalierbarkeit, Miniaturisierbarkeit Leichtbau (~ 1 g/cm³) Absolute Geräuschlosigkeit Neuartige Aktoren und Sensoren auf Basis smarter Dielektrischer Elastomere besitzen ein außerordentlich breites Anwendungs- und Marktpotential.

3 Bisherige Haupteinsatzhürde und Lösungsansatz Bisherige Haupteinsatzhürde Bislang finden als Elektroden vor allem Metalle in Form dünner Beschichtungen Einsatz. Die mit Abstand größte Markthürde besteht bisher vor allem in Materialinkompatibilitäten zw. dehnbarem polymerem Dielektrikum und wenig dehnbarer metallischer Elektrode. Dies verursacht zwangsweise niedrige Lebensdauern bzw. erfordert hochkomplexe und teure Gegenmaßnahmen (Strukturierungen, Stege). Lösungsansatz CANDELA Ersetzen der Metallelektroden gegen polymere Elektroden mit elektrisch-leitfähigen Füllstoffen. Der vollpolymere Lösungsansatz behebt alle Probleme vollständig. Volle Materialkompatibilität Keine Grenzschichteffekte Monolithische Bauelemente Exzellente Lebensdauer Elektrode Dielektrikum Elektrode Einfache Herstellung von aktorisch-sensorischen Einzel- und Multischichtverbünden mit geeigneten Polymertechnologien Extrem kostengünstig!

4 Dielektrischer ringförmiger Elastomer-Aktor aus Dresden Technologieangebot Erreichter Stand in Dresden DEA Gegebene Anwendungsf älle (dynamisch / statisch) können geringf ügige abweichende Werte der Dehnung / Kraf twirkung ergeben. 10% 100% Dehnung Pneumatik Elektromotor DEA Energiedichte (m) 10 J/kg Ca. 1 J/kg 12 J/kg Energiedichte (V) J/m 3 Ca J/m J/m 3 Leistungsdichte (m) 150 W/kg 80 W/kg 2400 W/kg Leistungsdichte (V) 600 W/dm 3 90 W/dm W/dm 3

5 Technologieangebot Moderne Funktionsmaterialien Elastomere/ Matrix Füllstoffe Leitfähig Dielektrisch Fundiertes Know-How zur Synthese, Verarbeitung, Modifikation und Eigenschaftsanpassung von vernetzenden elastomeren Silikonen u.ä. Systemen Ausgezeichnete Expertise in der Verarbeitung von elektrisch leitfähigen Füllstoffen wie bspw. Ruß, Graphit, Multi- und SingleWall-Carbonfibrillen sowie verschiedenartigen keramischen Füllstoffen/Dielektrika Eigene Synthese und Modifizierung hochwertiger SingleWall-Carbonfibrillen mit Leit-Widerständen bis zu 1.3 Ω (gemessen an Buckypaper) Synthese und Modifizierung keramischer Dielektrika auf Basis von Bariumtitanaten und Bleiperowskiten mit D K - Werte bis (gemessen an Bulk-Keramiken) Silikon- Elastomer SingleWall-Carbonfibrillen Hoch-D K Keramik

6 Technologieangebot Herstellung & Design Komposite und Einzelschichten Verbundherstellung Einsatz verschiedener Dispergiermethoden für Sicherstellung einer außerordentlich homogenen Verteilung der deagglomerisierten Füllstoffe, auch unter Berücksichtigung festgelegter Randbedingungen. Herstellung Einzelschichten bis 30 µm mit 3% Reproduzierbarkeit Unkomplizierte und reproduzierbare Herstellungstechnologie im Labormaßstab für Lineare Aktoren und Stapelaktoren Strukturen mit beliebiger Geometrie und Elektrodenvielfalt herstellbar. Anzahl gestapelter Schichten beliebig. Elektrode Dielektrikum Elektrode Flexibles Aktordesign Querschnitt eines Dreischicht-Aktors mit 100µm Einzelschichten (nach Kryo-TEM-Bruch)

7 Technologieangebot Herstellung & Design Rolle-zu-Rolle mit 2 Rollen Funktion wurde erfolgreich nachgewiesen Rolle-zu-Rolle mit Drucktechnik Funktion wurde erfolgreich nachgewiesen (Kaltaushärtung erfolgreich) (Warmaushärtung erfolgreich) Großflächige Rolle-zu-Rolle Technologie sicher machbar!

8 Technologieangebot Materialcharakterisierung Mechanische & elektrische Charakterisierung Mechanische Kennwerte Elektrische Kennwerte Sämtliche allgemeinen Einflüsse des Herstellungsprozesses sowie weitere spezifische Füllstoff-Einflüsse auf die Materialeigenschaften sind bekannt und werden beherrscht. Darauf basierend können gezielt und reproduzierbar Einzelschichten und Aktorelemente mit einem hohen Maß an mechanischer und elektrischer Belastbarkeit hergestellt werden. Einzelschichten Mechanische Kennwerte der Elastomermatrix wie E-Modul, Dehnbarkeit, Reißfestigkeit über weiten Bereich flexibel einstellbar (z.b. E-Modul MPa) Ausgezeichnet hohe Reproduzierbarkeit ± 3% Carbonfibrillen-Füllstoff beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der elastomeren Matrix nur unwesentlich, Dielektrischer Füllstoff erhöht mechanische Kennwerte der Matrix deutlich, aber auch deren Kraftwirkung Aktorverbünde Nachgewiesenermaßen exzellent-hohe Festigkeit und Schichtstabilität (Schältest, zyklische Zug- und Druckprüfung, mech.-elektr. Stresstests, ) Leichtbau mit ~ 1,0-1,2 g cm - ³ Spez. Polymer-Elektrodenwiderstand flexibel einstellbar, bis zu 10 Ω*cm Beaufschlagbar mit bis zu 2MHz Wechselspannung Perkulationsschwellen vorhanden, z.b. SW-Carbonfibrillen ca. 0,5% Gehalt

9 Technologieangebot Aktorik & Sensorik (I) Aktorische Charakterisierung Aktorische Kennwerte Sensorische Charakterisierung Sensorische Kennwerte Sehr gute Kontrolle und Reproduzierbarkeit aktorischer Kennwerte über einfache Anpassungen der mechanischen Eigenschaften, Betriebsspannungen sowie Schichtdicken für Aktoren mit Drei- und Mehrschichtaufbau Dehnungen >20% bis 6000V Dehnungen >1% unterhalb 1000V Ansprechzeit im geringen ms-bereich Ansteuergeschwindigkeit bis 10 Hz erfolgreich Durchschlagfestigkeit >120V/µm Belastbar bis zu 8000V (schichtdickenabhängig) Reproduzierbare Stellwege bei höchster Dauerbelastung Grundlegende Materialuntersuchungen für Eignung als resistiver Sensor im Dehnbereich bis 100% erfolgreich durchgeführt Lineares Verhalten zwischen Resistivität und Dehnung über weiten Bereich (~5-100%) 10% Dehnung ~ 60%ige Änderung der Resistivität Ansprechzeit im geringen ms-bereich

10 Kontraktion [µm] Kontraktion [%] Kontraktion [µm] Spannung [V] Technologieangebot Aktorik & Sensorik (II) Ausgewählte Messkurven-Beispiele im quasistatischen Betrieb Dauerbelastung bei 6000V und 0.25 Hz Messwerte Quadratischer Fit Spannung-Dehnung F = e r e 0 U d Spannung [V] 4,0 80ms ,5 3, ,0 34,5 35,0 35,5 36,0 2, Zeit [min] 2,0 Außerordentlich hohe Wiederholungsgenauigkeit Ansprechzeit im geringen ms-bereich Spannung-Kontraktion entspricht quadr. Funktion Aktoren problemlos ansteuerbar bis 7kV 1,5 1,0 0,5 0,0 Aktorische Schaltzeit 0,7 0,8 0, Zeit [s]

11 Technologieangebot Demonstratoren mit Demonstratorvideo Alle Dreischicht- als auch Multischicht-Aktoren meistern problemlos hochdynamische Belastungstests im Bereich 1-10 Hz / 5000V+ mit exzellenter Reproduzierbarkeit. Alle Aktoren bzw. Demonstratoren laufen ohne Durchschläge im Dauerlastbetrieb Ringaktor d=4.6cm/h=3cm Ringaktor d=4.6cm/h=6cm Faltaktor h=15.5cm Multischichtaktor 11 lagig, d=4.6cm/h=6cm

12 Technologieangebot Übersicht & Eckdaten Eigenschaft Ausprägung / Einsatz Anmerkungen / Spezifikation Verschiedene Silikone Matrix übertragbar auf weit. Elastomer-Klassen wie Polyurethan & -acrylat Materialbasis Leitfähige + Dielektr. Füllstoffe Bsp: SWCNT, MWCNT, Ruß, Graphit bzw. Bariumtitanate, Bleiperowskite Länge & Dimension Mechanische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Aktor- & Sensor- Eigenschaften Dauerbetrieb & Lebensdauer Kraftwirkung Flexibel & Skalierbar für Einzelals auch Multischichten Flexibel & Anwendungsabhängig Flexibel & Anwendungsabhängig Flexibel & Anwendungsabhängig Statisch, Quasistatisch oder Dynamisch Bsp: 11-Lagen-Stapelaktor mit Gesamtdicke von 1.0 mm Dichte Wenig flexibel ~ g cm - ³ Max. Folienfläche: 400 x 220 mm (bisher im Labormaßstab) Max. Einzelschichtdicke: aktuell 30µm, Potenzial für 15µm Max. Anzahl Schichten für Stapel-Aktor: keine Begrenzung E-Modul: 0.2 bis 2.5 MPa, Dehnbarkeit: >100% möglich Stabilität: Nach menschenmöglichem Ermessen können die CANDELA- Aktoren mechanisch nicht versagen (Ausschluss fahrläss. Spannungsrisse) Flexible Polymer-Elektroden, Spezifischer Widerstand bis 10 Ω*cm möglich Aktor-Ansteuerspannung für nutzbare Auslenkungen <1kV bis >7kV bei Durchschlagsfestigkeiten >120kV/mm und Permittivitäten von r = 3-14 Kontrollierte und reproduzierbare aktorische Dehnungen: 1% bis >20% Aktor-Ansprechzeit: <10ms, Schaltzeit für vollelast. Auslenkung: <40ms, Aktor-Ansteuerfrequenz: 0.01Hz bis >10Hz Lineares Sensor-Verhalten (z.b. Dehnung-Resistivität) über weiten Bereich Reproduzierbare Stellwege auch bei extremen Dauerbelastungen Keinerlei Ermüdungserscheinung, weder im aktiv-elektr. (>1.5*10 5 Zykl.) noch passiv-mech.-elektr. Betrieb (>3.0*10 6 Zyklen) bei 90kV/mm Potenzial deutlich jenseits 10 7 Zyklen Bisher getestet: problemlos ca. 100N Last im dynamischen Dauerbetrieb Einsatz von Hoch-D K -Partikel verbessert Kraftwirkung bis Faktor 5 Temperatur Flexibel Typ. -20 bis 120 C (Kenndaten bisher vorrangig für Raumtemperatur)

13 Zusammenfassung CANDELA-Innovationen Außerordentliche Flexibilität hinsichtlich Eigenschaften & Design Exzellente Materialkompatibilitäten / Exorbitante Lebensdauer Sehr einfache Volumenherstellung monolithischer Multischichten Sehr kostengünstige Vollpolymertechnologie (z.b. Rolle-zu-Rolle) Kostenabschätzung Herstellung eines DEA-Aktors: 1m² Grundfläche, 20 Schichten, Gesamtdicke 1 mm Einsatz von hochwertigem Silikon-Elastomer und Carbonfibrillen Rolle-zu-Rolle Technologie mit Hochsatz-Transferdruck MATERIALKOSTEN ~ 80,- / PROZESSKOSTEN < 20,- Die Kosten für CANDELA-basierte Dielektrische Elastomer-Aktoren liegen somit um Größenordnungen unter denen anderer Technologien wie bspw. der Piezo-Aktorik. Die auf DEA-Basis entwickelte hochattraktive und kostengünstige Plattform- und Querschnittstechnologie bietet einzigartige Eigenschaftskombinationen, die sich mit anderen Technologien nicht erreichen lassen.

14 Anwendungspotential Materialentwicklung beendet, kommende Zielrichtung Produktionstechnik Industrielle Techniken zur Multischichtherstellung Schichtdickenreduktion Optimierung Schichttechniken DK-Erhöhung Effekt bekannter Füllstoffe Vollpolymeransatz (mit gefüllter Elektrode) Endanwendungen: Medizin und Consumer Taktile Ausgabegeräte, Künstliche Muskeln, Lautsprecher, haptische Pads (Braille, Schaltknüppel, ) Angepasste Bauteilentwicklung Aktorik (DEA) Endanwendungen: Mikrosystemtechnik Dosierpumpen, Ventile, Optische Steller (Spiegel, Lampen) Endanwendungen: Industrielle Einsatzfelder Aktive Schwingungsdämpfung, Aktive Motorlage, Aktive Ventile und Dichtelemente, Handlingstechnik, Greifersysteme