DIELASTAR研究项目

介电弹性体致动器研究 

在DIELASTAR(以介电弹性体作为控制致动器)研究项目中,研究人员对聚氨酯塑料与石墨结合使用,以作为新兴驱动元件(执行器)。致动器可将电信号转换为机械运动,例如用于打开和关闭阀门。传统阀门采用电磁体致动器。介电弹性体致动器(DEA)可以例如替代电磁铁用于阀门当中。

费斯托在研究项目中使用DEA作为阀门主动控制元素,以对气动设备中的气流量进行调节。一个这样的DEA由300个相互叠加的超薄聚氨酯层构成。每一层厚度约为0.05毫米,相当于人头发厚度的一半。相互叠加的层片形成一个方糖块大小的正方体。

在聚氨酯层片之间喷洒有超薄石墨电极。电极交替布置,当通电之后,弹性体中将产生电场。借助电场产生的吸引力令柔性聚氨酯层可以朝向彼此进行移动。整个致动器由此缩短,阀门打开。

与电磁操控阀门相比,这一装置不产生热量,因为电流仅仅在短时间内流动,并为电极充电。然而,激活DEA装置目前仍需要约2,000伏的较高电压。这约为工业标准部件必要工作电压24伏的80倍。因此,研究活动的关注焦点在于降低电压。

项目目标

研究项目旨在开发新型致动器。传统阀门采用电磁体致动器。介电弹性体可以例如替代电磁铁用于阀门当中。

这具有众多优势:通过控制或调节在DEA装置中施加的电压,可以改变气动阀门中的空气流量。由此还可以将阀门调节至“打开”和“关闭”之间的任意位置(比例操作)。与此相对,具有电磁致动器的传统阀门仅可在完全打开与关闭之间转换。此外,得益于聚氨酯和石墨较低的材料成本,DEA十分廉价。因为一个DEA控制阀门不需要耗费电量以保持其位置(保持电流),因此DEA阀门极为节能。

在研究项目中将调查,如何可以尽可能降低DEA的工作电压,例如通过降低弹性体层的厚度。由此产生的更高场强可以实现更高力度或更大行程。通过在弹性体材料中混合纳米颗粒,DEA性能可以进一步增强。

至今的研究表明,聚氨酯弹性体在原则上适用于DEA构造,但此材料具有机械阻尼性能,可能限制快速切换致动器的动力学性能。如果使用硅作为弹性体,在未来将可能实现更好的动态特性。

样机

研究项目的一项展品显示了这项积极特点:这一展品展示了DEA的比例驱动,以及与传统的电磁驱动阀门相比之下的能耗。

DEA阀门构造以MHE2阀门壳体为基础。在其中,电磁驱动被移除,并由一个带有细长DEA与高压电压转换器的模块所替代。DEA阀门的工作电压为24伏,与MHE2阀门相同。在工作电压降低的过程中,DEA阀门的2/2路比例功能十分明显。

在另一套样机中,采用了 DEA 作为高效节能型小零件夹爪的驱动元件。

其他项目合作伙伴

DIELASTAR

科学界

  • OWL应用技术大学
  • 弗劳恩霍夫应用聚合物研究所(IAP)

工业界

  • 德国ABB股份公司研究中心

在资助项目编号13X4011C下,德国联邦教育与研究部(BMBF)为DIELASTAR项目提供资助。