Nakic, Christian (2023)
Elektrothermische Polymerantriebe für Braille-Flächendisplays.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023655
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Nutzung polymerer elektrothermischer Aktoren in Braille-Displays untersucht. Die Analyse des Stands der Technik umfasst 152 Publikationen und gibt Übersicht sowohl über verwendete Hilfsmittel für Blinde und Sehbehinderte als auch über erprobte Antriebstechnologien und -konzepte in taktilen Displays. Aus dem Stand der Technik werden zudem Anforderungen an die zu entwickelnde elektrothermische Aktorik abgeleitet und ein Antriebskonzept mit einem bistabilen Mechanismus entwickelt.

Neben den im Stand der Technik bekannten Fertigungsprozessen mit teuren und langwierig zu verarbeitenden Materialien wie SU-8 werden bei der Material- und Prozessauswahl kommerziell erhältliche Folienmaterialien berücksichtigt, um Fertigungszeiten und -kosten reduzieren zu können. Durch die Erprobung von Prozessen aus der Leiterplattentechnologie werden grundlegende Schritte für einen Technologietransfer von der Einzelstückfertigung im Labor hin zu einer wirtschaftlichen Herstellung in hohen Stückzahlen unternommen.

Durch eine umfassende Materialrecherche von Kunststoffen werden Zusammenhänge zwischen den Erweichungstemperaturen, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Elastizitätsmodul erarbeitet und interessante Materialkandidaten identifiziert. Weiterhin werden in dieser Arbeit erstmals mit unterschiedlichen Kunststoffen baugleiche elektrothermische Referenzaktoren hergestellt, die vergleichsweise leicht zu fertigen sind und mit denen die Materialeigenschaften direkt in der Anwendung als Aktor verglichen werden können.

Zur Charakterisierung der Aktoren wird ein Motion-Analyzer realisiert, mit dem In-plane-Bewegungen mit einer Auflösung von 2,4 µm und einem Messfehler von ca. 1,4% gemessen werden können. Zur gleichzeitigen Erfassung von Out-of-plane-Bewegungen der Aktoren wird ein Lasertriangulationsmesssystem integriert, das einen maximalen Fehler von 19,3 µm in dem relevanten Messbereich aufweist. Darüber hinaus wird der Messstand mit einer Regelung zur Einspeisung einer konstanten elektrischen Leistung und einem Kraftsensor ausgestattet, durch den die Blockierkräfte von elektrothermischen Aktoren mit maximalen Fehlern von 0,275 mN erfasst werden können.

Zum Entwurf von elektrothermischen Aktoren werden ausführliche Materialcharakterisierungen vorgenommen und Modellierungsmethoden diskutiert. Im Fokus der Untersuchungen steht der Hochtemperaturkunststoff PEEK, der im Vergleich zu anderen Polymeren vielversprechende Werte für die dem Aktorprinzip zugrundeliegende Wärmeausdehnung besitzt. Für PEEK werden daher im relevanten Bereich von 0...125°C die temperaturabhängigen Verläufe für das Elastizitätsmodul und den Wärmeausdehnungskoeffizient sowie eine Querkontraktionszahl von 0,38 bestimmt. Zur Abschätzung der auf den Aktoren abgestrahlten Wärmestrahlung werden zudem für die eingesetzten Materialien die optischen Emissionsgrade bestimmt.

Zur Modellbildung werden sowohl analytische als auch FEM-Methoden für Pseudobimorph-Aktoren entwickelt und anhand von Messdaten der charakterisierten Referenzaktoren validiert. Bei der Modellierung stellt sich der Konvektionskoeffizient als geometrieabhängiger und auch modellabhängiger Parameter heraus, der in den FEM-Methoden einen hohen Einfluss auf die Berechnungsergebnisse aufweist. Der Konvektionskoeffizient wird daher für die untersuchten Referenzaktoren mit unterschiedlichen Methoden bestimmt und je nach Modellierungsansatz auf anwendbare Bereiche eingegrenzt.

Abschließend sind in dieser Arbeit mehrere Antriebsentwürfe sowohl für Braille-Liniendisplays als auch für Braille-Flächendisplays dargelegt. Die Antriebe werden dabei mit einem Formgesperre ausgestattet, das es den Antrieben ermöglicht, die erreichten Auslenkungen in zwei Positionen ohne weitere Leistungszufuhr zu halten. Mit eigens entwickelten Fertigungsprozessen werden zu jedem Entwurf Aktoren hergestellt und hinsichtlich der Auslenkungen, den erreichbaren Kräften sowie der Leistungsaufnahme charakterisiert. Die Charakterisierungsergebnisse werden den jeweiligen berechneten Werten aus der Modellbildung gegenübergestellt. Die im Rahmen der Arbeit entwickelten Aktoren für Flächendisplays werden neben PEEK auch aus dem UV-strukturierbaren Photoresist SUEX aufgebaut, mit dem bessere Aktoreigenschaften erzielt werden können als mit den aufgebauten Antrieben aus PEEK.

Mit den realisierten Out-of-plane-Aktoren für Liniendisplays werden Leerlaufauslenkungen von 543 µm erreicht, was die Forderung von 500 µm ausreichend erfüllt. Zudem kann im Experiment die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Einrastmechanismus nachgewiesen werden. Die realisierten Aktoren aus SUEX zum Einsatz in Flächendisplays weisen eine bidirektionale Auslenkung von -253...+322 µm sowie erreichbare Kräfte von 7 mN auf und erfüllen die gestellte Anforderung damit ebenfalls. Je nach Antriebsvariante liegen die Schaltzeiten im Bereich von 5...10 s und die benötigten Schaltenergien zum Heben der Pins bei 0,68...0,79 J oder bei bis zu 1,26 J. Im Ausblick der Arbeit werden Optimierungsvorschläge zur Verbesserung der Ansprechzeiten und des Wirkungsgrades der entwickelten Aktoren dargestellt und darüber hinaus ein weiterführendes Antriebskonzept für Braille-Flächendisplays aufgezeigt.

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