Dielektrische Elastomerstapelaktoren für ein peristaltisches Fluidfördersystem

Dielektrische Elastomeraktoren sind eine Klasse von elektroaktiven Polymeren, die seit ca. 10 Jahren intensiv erforscht werden. Diese Aktoren beruhen auf dem elektrostatischen Prinzip der Anziehung entgegengesetzter Ladungen. Aufgrund ihres geringen Gewichtes, der hohen Flexibilitat und grosen Auslenkung wird diesen Festkorperaktoren ein hohes Potenzial zugeschrieben, in den kommenden Jahren konventionelle Aktortechnologien zu ersetzen. Die Technologie der dielektrischen Elastomeraktoren wird im Rahmen dieser Arbeit verwendet, um eine peristaltische Pumpe zu entwickeln. Bei der peristaltischen Fluidforderung wird das Bewegungsmuster biologischer Hohlorgane nachgeahmt. Die periodische Kontraktion und Relaxation der Muskeln dieser Organe fuhrt dazu, dass Medien durch das Organ hindurch bewegt werden. Technische Umsetzungen dieses fur biologische Flussigkeiten schonenden Pumpprinzips gibt es bisher nur in Form von Schlauchpumpen. Bei diesen Geraten steht einem kleinen Schlauchdurchmesser eine unverhaltnismasig grose Antriebsmechanik gegenuber. Fur die technologische Realisierung der in den peristaltischen Pumpenkorper integrierten Aktorelemente sind umfangreiche Prozesscharakterisierungen und -optimierungen notwendig. Dieser Thematik ist der erste Schwerpunkt gewidmet. Ausgehend vom Stand der Technik der Materialien und Prozessierung von Dielektrikum und Elektrode werden Moglichkeiten zur Reduzierung der Betriebsspannung untersucht. Es wird gezeigt, dass durch das Einbringen von anorganischen Partikeln mit hoher Dielektrizitatszahl eine Verdoppelung der Leistungsfahigkeit der Aktoren zu erwarten ist. Mit Hilfe eines Modells aus konzentrierten Bauelementen wird erklart, wie der Schichtwiderstand der Elektroden Betriebsparameter wie z. B. die maximale Arbeitsfrequenz beeinflusst. Zur Charakterisierung der Aktoren werden spezielle Messplatze entwickelt. Um die gewonnen Messdaten verifizieren und erklaren zu konnen wird ein elektrisch-mechanisches Modell dielektrischer Elastomerstapelaktoren entwickelt. Das mechanische Verhalten wird in diesem Modell mit Hilfe eines modifizierten Festkorpermodells beschrieben. Durch die Kombination des elektrischen und mechanischen Modells kann die dynamische Auslenkung der Aktoren uber einen grosen Frequenzbereich beschrieben werden. Im zweiten Teil wird die peristaltische Fluidforderung betrachtet. Es wird dargestellt, in welcher Form wichtige Parameter wie Wellenlange, Amplitude und geometrische Abmessungen die Forderleistung beeinflussen. Es werden zwei Moglichkeiten aufgezeigt, wie aus dielektrischen Elastomeraktoren Fluidfordersysteme aufgebaut werden konnen. Mit Ergebnissen numerischer Simulationen werden die Moglichkeiten und Grenzen dieser Fluidsysteme aufgezeigt und es werden Designparameter fur die Aktorik der peristaltischen Pumpe definiert. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich der Realisierung des Fluidfordersystems. Anhand der im zweiten Teil definierten Parameter wird eine Variante der peristaltischen Pumpe mit dielektrischen Elastomeraktoren entwickelt und realisiert. Hierbei wird sowohl auf die Besonderheiten der Fertigung als auch auf die messtechnische Charakterisierung der Elastomeraktoren und der Pumpe eingegangen. Die Fertigung zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Pumpenkorper mit integrierten Aktorelementen und innenliegendem Kanal in einem durchgehenden Prozess vollautomatisiert hergestellt wird. Die Charakterisierung zeigt die Leistungsfahigkeit der Aktortechnologie und die fluidischen Kennwerte der Pumpe. Die Messungen an mehreren Pumpenexemplaren ergeben eine maximale Forderleistung von bis zu 11 µl/min. Damit zeigt diese Arbeit erstmalig, wie die Vorzuge dielektrischer Elastomerstapelaktoren fur fluidische Anwendungen genutzt werden konnen.