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Entwicklung eines dielektrischen Elastomer-Aktors (DEA) mit bio-inspirierter schaltbarer Haftoberfläche

Butz, Janis :
Entwicklung eines dielektrischen Elastomer-Aktors (DEA) mit bio-inspirierter schaltbarer Haftoberfläche.
TU Darmstadt, Institut EMK / FG M+EMS
[Bachelorarbeit], (2015)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Machbarkeitsstudie einer schaltbar haftenden Oberfläche, welche durch einen dielektrischen Elastomer-Aktor (DEA) betrieben wird, durchgeführt. Dabei ist die Aktoroberfläche mit einer Silikonschicht aus PDMS strukturiert, um einen Borosilikat-Wafer mit einer Masse von 12 Gramm für mindestens 5 Minuten anzuheben. Die Haftung basiert auf Van-der-Waals-Kräften. Durch Schalten des Aktors wird der Haftzustand zwischen der Silikonstruktur und dem Glaswafer gelöst. Es werden die Maximalwerte der Auslenkung und Kraft von den eingesetzten dielektrischen Elastomer-Aktoren berechnet. Die Haftungslösung erfolgt aufgrund einer Veränderung der Haftkontaktfläche. Deshalb wird die Abhängigkeit der Haftung durch Van-der-Waals-Kräfte von der Kontaktfläche untersucht und die minimal benötigte Haftfläche zum Anheben des Glaswafers ermittelt. Anschließend wird ein Demonstrator entwickelt, aufgebaut und getestet. Zur Realisierung einer schaltbaren Haftung mittels DEA und elastischen Strukturen werden verschiedene Lösungsmöglichkeiten erarbeitet und die drei erfolgversprechendsten Prinzipien getestet. Der Haftungszustand wird durch Andrücken der Silikonschicht im Ruhezustand an die Glasoberfläche hergestellt. Für die Haftungslösung nutzen zwei der gewählten Konzepte die Ausdehnung der strukturierten Aktoroberfläche bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den Aktor. Wie in der Abbildung dargestellt, wird die Haftung basierend auf einer Reduzierung der Kontaktfläche mit sich verbiegenden Säulen oder Lamellen gelöst. Das dritte Prinzip zur Haftungslösung nutzt, alternativ zur Dehnung, den erzeugten Hub senkrecht zur Haftoberfläche. Die Strukturierung der Aktoroberflächen erfolgt durch Integration der DEA in den Vernetzungsvorgang der Silikonstrukturen. Für das Schalten der dielektrischen Elastomer-Aktoren zum Lösen des Haftungszustands wird eine Hochspannungsquelle genutzt. Um die strukturierten Aktoren nutzen zu können, werden spezielle Halterungen gefertigt. Die entworfenen Strukturen ermöglichen ein zuverlässiges Anheben des Glaswafers für die Dauer von mindestens 5 Minuten. Die erreichbare mechanische Verformung von dielektrischen Elastomer-Aktoren ist ausreichend, um die Haftung zu lösen. Durch die Integration des DEA in den Fertigungsprozess der Silikonstruktur wird eine ebene Haftoberfläche hergestellt. Die benötigte elektrische Spannung zum Schalten der Aktoren für die Haftungslösung liegt im Bereich von 1,8 - 2,1kV.

Typ des Eintrags: Bachelorarbeit
Erschienen: 2015
Autor(en): Butz, Janis
Titel: Entwicklung eines dielektrischen Elastomer-Aktors (DEA) mit bio-inspirierter schaltbarer Haftoberfläche
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Machbarkeitsstudie einer schaltbar haftenden Oberfläche, welche durch einen dielektrischen Elastomer-Aktor (DEA) betrieben wird, durchgeführt. Dabei ist die Aktoroberfläche mit einer Silikonschicht aus PDMS strukturiert, um einen Borosilikat-Wafer mit einer Masse von 12 Gramm für mindestens 5 Minuten anzuheben. Die Haftung basiert auf Van-der-Waals-Kräften. Durch Schalten des Aktors wird der Haftzustand zwischen der Silikonstruktur und dem Glaswafer gelöst. Es werden die Maximalwerte der Auslenkung und Kraft von den eingesetzten dielektrischen Elastomer-Aktoren berechnet. Die Haftungslösung erfolgt aufgrund einer Veränderung der Haftkontaktfläche. Deshalb wird die Abhängigkeit der Haftung durch Van-der-Waals-Kräfte von der Kontaktfläche untersucht und die minimal benötigte Haftfläche zum Anheben des Glaswafers ermittelt. Anschließend wird ein Demonstrator entwickelt, aufgebaut und getestet. Zur Realisierung einer schaltbaren Haftung mittels DEA und elastischen Strukturen werden verschiedene Lösungsmöglichkeiten erarbeitet und die drei erfolgversprechendsten Prinzipien getestet. Der Haftungszustand wird durch Andrücken der Silikonschicht im Ruhezustand an die Glasoberfläche hergestellt. Für die Haftungslösung nutzen zwei der gewählten Konzepte die Ausdehnung der strukturierten Aktoroberfläche bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den Aktor. Wie in der Abbildung dargestellt, wird die Haftung basierend auf einer Reduzierung der Kontaktfläche mit sich verbiegenden Säulen oder Lamellen gelöst. Das dritte Prinzip zur Haftungslösung nutzt, alternativ zur Dehnung, den erzeugten Hub senkrecht zur Haftoberfläche. Die Strukturierung der Aktoroberflächen erfolgt durch Integration der DEA in den Vernetzungsvorgang der Silikonstrukturen. Für das Schalten der dielektrischen Elastomer-Aktoren zum Lösen des Haftungszustands wird eine Hochspannungsquelle genutzt. Um die strukturierten Aktoren nutzen zu können, werden spezielle Halterungen gefertigt. Die entworfenen Strukturen ermöglichen ein zuverlässiges Anheben des Glaswafers für die Dauer von mindestens 5 Minuten. Die erreichbare mechanische Verformung von dielektrischen Elastomer-Aktoren ist ausreichend, um die Haftung zu lösen. Durch die Integration des DEA in den Fertigungsprozess der Silikonstruktur wird eine ebene Haftoberfläche hergestellt. Die benötigte elektrische Spannung zum Schalten der Aktoren für die Haftungslösung liegt im Bereich von 1,8 - 2,1kV.

Freie Schlagworte: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Elektroaktive Polymere EAP
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 30 Nov 2015 13:02
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB 1912

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 26-05-2015

Ende Datum: 05-10-2015

ID-Nummer: 17/24 EMKB1912
Gutachter / Prüfer: Schlaak, Prof. Helmut F.
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