Pneumatic and hydraulic microactuators : a new approach for achieving high force and power densities at microscale

Gedurende afgelopen decennia heeft het onderzoek naar microsystemen zich voornamelijk toegespitst op de ontwikkeling van electrostatische en elektromagnetische microactuatoren. Recente ontwikkelingen hebben echter uitgewezen dat hydraulische en pneumatische aandrijvingen hogere kracht- en vermogendichtheden kunnen realiseren in systemen die maar een paar kubieke millimeters groot zijn. Tot hiertoe zijn deze actuatoren slechts zelden toegepast in microsystemen omwille van twee belangrijke technologische uitdagingen. Eerst en vooral dienen microafdichtingen ontwikkeld te worden die in staat zijn om hoge drukken lekvrij af te sluiten, zonder daarbij wrijving in de aandrijving te introduceren. Ten tweede moeten er specifieke productietechnieken onderzocht worden om nauwkeurige tolerantie op driedimensionale micro-onderdelen te kunnen realiseren, hetgeen moeilijk is met behulp van traditionele microproductietechnieken. Gedurende dit onderzoek zijn een aantal klassieke afdichtingen zoals hermetische- en lipafdichtingen voor het eerst toegepast op miniatuur pneumatische en hydraulische aandrijvingen. Hiernaast zijn een aantal nieuwe afdichtingen ontwikkeld specifiek voor microtoepassingen. In het bijzonder laten oppervlaktespanning- en ferrofluïdum-afdichtingen toe om microsystemen lekvrij en met weinig wrijving af te dichten. Actuatoren met een buitendiameter van 1.3 mm en een lengte van 13 mm zijn in staat om een aandrijfkracht van 1 N, een snelheid tot 1 m/s en een slag van 10 mm te realiseren bij een aandrijfdruk van 15 bar. De kracht- en vermogendichtheid van deze systemen is beduidend hoger dan dat van klassieke microactuatoren met gelijkaardige afmetingen. Gedurende dit onderzoek werd ook een inductieve positiesensor ontwikkeld die efficiënt in hydraulische en pneumatische microactuatoren kan worden ingebouwd. Met behulp van PI- en variabele structuurcontrole laat deze sensor toe om tot op 30 µm nauwkeurig te positioneren. Dit is een anzienlijke verbetering in vergelijking met gelijkaardige systemen die in de literatuur beschreven zijn. Daarom behoren de hier ontwikkelde actuatoren tot de krachtigste bestaande mechatronische microaandrijvingen.status: publishe