In sterk trillende technische sys-temen moeten de grotere bewe-gingen worden gecompenseerd en gedempt. De klassieke methode is met elastomeer componenten. Wetenschappers van het Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und System-zuverlässigkeit (LBF) hebben zich afgevraagd hoe het zou zijn, als deze elastische componen-ten intelligent zouden zijn en actief zouden kunnen vervormen. De onderzoekers uit Darmstadt hebben een nieuw soort ‘stack actuator’ ontwikkeld, die de specifieke eigen-schappen van de elektro-actieve elastomeren benut en daarmee nieuwe scenario’s voor de toepassing opent.
Als de onderzoekers de massa groter zouden kunnen maken en laten oscilleren, zouden de elastomeren storende trillingen veel effectiever kunnen bestrijden door het opwekken van tegentrillingen. Ook zouden ze uit de trillingen, die gedempt worden, energie kunnen halen. De onderzoekers wilden derhalve met functionele grondstoffen actieve oplossingen realiseren om de dempingskarakteristiek te verbeteren en tegelijkertijd de noodzakelijke inbouwruimte te reduceren.
Hiervoor komen in het bijzonder elektro-actieve elastomeren (EAE) in aanmerking. Deze staan de laatste jaren in de belangstelling voor industriële toepassingen. De onderzoekers LBF gebruiken de speciale eigenschappen van de elektro-actieve elastomeren voor het ontwerp van een nieuw soort stack actuator. Een demon-stratiemodel toont de potentie van deze aanpak. Momenteel wordt gewerkt aan de opbouw van een groter systeem.
Maar momenteel zijn er slechts weinig commerciële aanbieders van kant en klare EAE-componenten en de meeste onderzoeken worden uitgevoerd met handmatig vervaardigde laboratorium monsters. Vandaar dat er gestandaardiseerde, be-trouwbare en voor de industriële toepassing geschikte systemen moeten worden ontwikkeld.
Grote rek, geringe krachten
Net als piëzo-keramische materialen horen elektro-actieve elastomeren tot de ‘smart materials’, die bij het aansluiten van een elektrisch veld mechanisch ver-vormen. Ten opzichte van piëzo-keramische materialen onderscheiden EAE-om-vormers zich door een grote vervorming bij beduidend kleinere krachten. Afhan-kelijk van het gebruikte soort elastomeer ontstaat een verschil in eigenschappen. De veel gebruikte di-elektrische siliconen lijken met betrekking tot kracht en rekvermogen op natuurlijke spieren, vandaar dat ze vaak worden aangeduid als ‘artificial muscles’.
Bij de oplossing van Fraunhofer LBF worden dunne, fijn geperforeerde metalen elektroden gebruikt voor de aansluiting op de elektrische spanning. Daardoor kan het elastomeer bij het aangesloten elektrische veld plaatselijk in deze gaatjes wijken, waardoor een macroscopische samendrukbaarheid van de het materiaal is gewaarborgd. Door de goede elektrische geleiding van de metalen kunnen de weerstandsverliezen worden beperkt en kan de actuator worden gebruikt bij hogere frequenties.
Omdat de elektroden niet vervormen, is mechanische koppeling aan de ombouw-constructie mogelijk zonder vermogensverlies. Door de geometrie van de gaatjes en de positie van de elektroden kan het resultaat van de actuator gericht worden ingesteld en geoptimaliseerd. Met behulp van numerieke modellen en diverse optimaliseringsprocessen wordt op deze manier voor elke toepassing de geometrie berekend en vervaardigd.
Veelheid aan toepassingsmogelijkheden
Een dergelijke omvormer kan in principe niet alleen worden gebruikt als actuator, maar ook als adaptieve stijfheid, sensor en generatorelement. Bij het aanleggen van een elektrische spanning ontstaat door de groter wordende contactvlakken een toename van de stijfheid, die bijvoorbeeld voor de verstelling van een adaptieve demper kan worden gebruikt, maar door een duidelijke toename van de capaciteit ook als sensor of generator kan worden benut.
Zo zijn specifieke toepassingen op het gebied van energieopwekking met kleine amplituden denkbaar, waarbij mechanische en chemische energie uit de trillingen wordt omgevormd in elektrische energie. Maar de onderzoekers willen ook grote bewegingen, zoals bij de golven van de zee ontstaan, benutten voor energie-opwekking.
Het demonstratiemodel van Fraunhofer LBF heeft vijftig actieve lagen, elk met een dikte van 140 µm en een oppervlak van 60 mm bij 60 mm. Met een stuurspanning van 1,5 kV zijn semistatische vervormingen van meerdere procenten mogelijk. Door een verdere reductie van de laagdikte is een verdere verbetering van de presta-ties te verwachten.
