einzigartige plattformtechnologie für dielektrische …...chair laser- and surface technologies...

Chair Laser- and

Surface Technologies

Heisenberg Chair

Polymer Microsystems

Einzigartige Plattformtechnologie für

Dielektrische Elastomer-Aktoren aus Dresden

Pro

f. D

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rPolymere &

Schichtbildung

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Dr. A

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Aktorik &

Polymere

Füllstoffe &

Schichtbildung

Aktorik &

Füllstoffe

Exzellente aktorische Performance

Flexibles und skalierbares Aktordesign

Außerordentlich hohe Lebensdauer

Hoher Durchsatz bei der Herstellung

KOSTENGÜNSTIG

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Heisenberg Chair


www.projekt-candela.de

http://www.projekt-candela.de/

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Heisenberg Chair


Kompression

Spannung aus Spannung ein

Ruhezustand

Dielektrikum

Elektrode

Elektrode

Grundlagen

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

Einzigartige Kombination

Wirkprinzip Dielektrischer Elastomere

+

-

Neuartige Aktoren und Sensoren auf Basis smarter Dielektrischer Elastomere besitzen ein außerordentlich breites Anwendungs- und Marktpotential.

Grundlagen CANDELA Technologieangebot Zusammenfassung Anwendungspotential

F = er e0

Ud

2

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Heisenberg Chair


Elektrode

Elektrode

Dielektrikum

Bisherige Haupteinsatzhürde und Lösungsansatz

Ersetzen der Metallelektroden gegen polymere Elektroden mit elektrisch-leitfähigen

Füllstoffen. Der vollpolymere Lösungsansatz behebt alle Probleme vollständig.

Einfache Herstellung von aktorisch-sensorischen Einzel- und Multischichtverbündenmit geeigneten Polymertechnologien Extrem kostengünstig!

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

Bisherige Haupteinsatzhürde

Volle Materialkompatibilität

Keine Grenzschichteffekte

Monolithische Bauelemente

Exzellente Lebensdauer


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10% 100% Dehnung

DEA

Pneumatik Elektromotor DEA

Energiedichte (m) 10 J/kg Ca. 1 J/kg 12 J/kg

Energiedichte (V) 30000 J/m3 Ca. 1500 J/m3 15000 J/m3

Leistungsdichte (m) 150 W/kg 80 W/kg 2400 W/kg

Leistungsdichte (V) 600 W/dm3 90 W/dm3 3000 W/dm3Die

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Technologieangebot

Erreichter Stand in Dresden

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Werte

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Heisenberg Chair


Elastomere/

Matrix

Fundiertes Know-How zur Synthese, Verarbeitung, Modifikation und

Eigenschaftsanpassung von vernetzenden elastomeren Silikonen u.ä. Systemen

Füllstoffe

Leitfähig

Dielektrisch

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 DK- Werte bis 100.000 (gemessen an

Bulk-Keramiken)

Moderne Funktionsmaterialien

SingleWall-CarbonfibrillenSilikon-

Elastomer

Hoch-DK Keramik


Technologieangebot

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Heisenberg Chair


Komposite und

Einzelschichten

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

Verbundherstellung Unkomplizierte und reproduzierbare Herstellungstechnologie im

Labormaßstab für „Lineare“ Aktoren und Stapelaktoren

Strukturen mit beliebiger Geometrie und Elektrodenvielfalt herstellbar.

Anzahl gestapelter Schichten beliebig.

Elektrode

Elektrode

Dielektrikum

Herstellung & Design

Flexibles Aktordesign

Querschnitt eines Dreischicht-Aktors mit

100µm Einzelschichten (nach Kryo-TEM-Bruch)


Technologieangebot

Chair Laser- and


Heisenberg Chair


Großflächige Rolle-zu-Rolle–Technologie sicher machbar!

(Kaltaushärtung erfolgreich) (Warmaushärtung erfolgreich)

Rolle-zu-Rolle – mit DrucktechnikFunktion wurde erfolgreich nachgewiesen

Rolle-zu-Rolle – mit 2 RollenFunktion wurde erfolgreich nachgewiesen

Herstellung & Design


Technologieangebot

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Mechanische &

elektrische

Charakterisierung

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.

Mechanische

Kennwerte

Einzelschichten

Mechanische Kennwerte der Elastomermatrix wie E-Modul, Dehnbarkeit, Reiß-

festigkeit über weiten Bereich flexibel einstellbar (z.B. E-Modul 0.2-2.5 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

Elektrische

Kennwerte

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

Materialcharakterisierung


Technologieangebot

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Aktorische

Charakterisierung

Sehr gute Kontrolle und Reproduzierbarkeit aktorischer Kennwerte über

einfache Anpassungen der mechanischen Eigenschaften, Betriebsspannungen

sowie Schichtdicken für Aktoren mit Drei- und Mehrschichtaufbau

Aktorische

Kennwerte

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

Sensorische

Charakterisierung

Grundlegende Materialuntersuchungen für Eignung als resistiver Sensor

im Dehnbereich bis 100% erfolgreich durchgeführt

Sensorische

Kennwerte

Lineares Verhalten zwischen Resistivität und Dehnung über weiten Bereich

(~5-100%)

10% Dehnung ~ 60%ige Änderung der Resistivität


Aktorik & Sensorik (I)


Technologieangebot

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0 2000 4000 6000 8000 10000

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1

2

3

4 Messwerte

Quadratischer Fit

Kon

trakti

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[µ

m]

Spannung [V]

Spannung-Dehnung

F = er e0

Ud

2

Außerordentlich hohe Wiederholungsgenauigkeit


Spannung-Kontraktion entspricht quadr. Funktion

Aktoren problemlos ansteuerbar bis 7kV

Ausgewählte Messkurven-Beispiele im quasistatischen Betrieb

Dauerbelastung bei 6000V und 0.25 Hz

34,0 34,5 35,0 35,5 36,0

0

1

2

3

4

5

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7

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Ko

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akti

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[%

]

Zeit [min]

0,7 0,8 0,9

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4000

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8000

10000

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[µ

m]

Zeit [s]

80ms

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[V

]

Aktorische

Schaltzeit

Aktorik & Sensorik (II)


Technologieangebot

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05-07 08-10 10-04+05 11-07

Ringaktor

d=4.6cm/h=3cm

Ringaktor

d=4.6cm/h=6cm

Faltaktor

h=15.5cm

Multischichtaktor

11 lagig, d=4.6cm/h=6cm

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.


Technologieangebot

http://www.projekt-candela.de/aktuelles/Dielektrischer-Elastomer-Aktor.wmv








Chair Laser- and


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Eigenschaft Ausprägung / Einsatz Anmerkungen / Spezifikation

MaterialbasisVerschiedene Silikone

Leitfähige + Dielektr. Füllstoffe

Matrix übertragbar auf weit. Elastomer-Klassen wie Polyurethan & -acrylat

Bsp: SWCNT, MWCNT, Ruß, Graphit bzw. Bariumtitanate, Bleiperowskite

Länge &

Dimension

Flexibel & Skalierbar für Einzel-

als auch Multischichten

Max. Folienfläche: 400 x 220 mm (bisher im Labormaßstab)

Max. Einzelschichtdicke: aktuell 30µm, Potenzial für 15µm

Max. Anzahl Schichten für Stapel-Aktor: keine Begrenzung

Mechanische

Eigenschaften

Flexibel &

Anwendungsabhängig

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)

Elektrische

Eigenschaften

Flexibel &

Anwendungsabhängig

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

Aktor- &

Sensor-

Eigenschaften

Flexibel &

Anwendungsabhängig

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

Dauerbetrieb &

Lebensdauer

Statisch, Quasistatisch oder

Dynamisch

Reproduzierbare Stellwege auch bei extremen Dauerbelastungen

Keinerlei Ermüdungserscheinung, weder im aktiv-elektr. (>1.5*105 Zykl.)

noch passiv-mech.-elektr. Betrieb (>3.0*106 Zyklen) bei 90kV/mm

Potenzial deutlich jenseits 107 Zyklen

KraftwirkungBsp: 11-Lagen-Stapelaktor mit

Gesamtdicke von 1.0 mm

Bisher getestet: problemlos ca. 100N Last im dynamischen Dauerbetrieb

Einsatz von Hoch-DK-Partikel verbessert Kraftwirkung bis Faktor „5“

Dichte Wenig flexibel ~1.0-1.2 g·cm-³

Temperatur Flexibel Typ. -20 bis 120 C (Kenndaten bisher vorrangig für Raumtemperatur)

Übersicht & Eckdaten


Technologieangebot

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Heisenberg Chair


Außerordentliche Flexibilität hinsichtlich Eigenschaften & Design

Exzellente Materialkompatibilitäten / Exorbitante Lebensdauer

Sehr einfache Volumenherstellung monolithischer Multischichten

Sehr kostengünstige Vollpolymertechnologie (z.B. Rolle-zu-Rolle)

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,-€


Zusammenfassung

Die auf DEA-Basis entwickelte hochattraktive und kostengünstige

Plattform- und Querschnittstechnologie bietet einzigartige Eigenschafts-

kombinationen, die sich mit anderen Technologien nicht erreichen lassen.

CANDELA-Innovationen

Die Kosten für CANDELA-basierte Dielektrische Elastomer-Aktoren liegen somit um

Größenordnungen unter denen anderer Technologien wie bspw. der Piezo-Aktorik.

Kostenabschätzung

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DK-ErhöhungEffekt bekannter Füllstoffe

SchichtdickenreduktionOptimierung Schichttechniken

Industrielle Technikenzur Multischichtherstellung

Angepasste Bauteilentwicklung

Aktorik (DEA)

Endanwendungen: Industrielle EinsatzfelderAktive Schwingungsdämpfung, Aktive Motorlage,

Aktive Ventile und Dichtelemente, Handlingstechnik, Greifersysteme

Endanwendungen: Medizin und Consumer

Taktile Ausgabegeräte, Künstliche Muskeln,

Lautsprecher, haptische Pads (Braille, Schaltknüppel, …)

Endanwendungen:MikrosystemtechnikDosierpumpen, Ventile,

Optische Steller (Spiegel,

Lampen)

Materialentwicklung beendet, kommende Zielrichtung Produktionstechnik

Vollpolymeransatz(mit gefüllter Elektrode)

Anwendungspotential


einzigartige plattformtechnologie für dielektrische …...chair laser- and surface technologies...

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