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 Flexibilität und großen Auslenkung wird diesen Festkörperaktoren 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 Fluidförderung wird das Bewegungsmuster biologischer Hohlorgane nachgeahmt. Die periodische Kontraktion und Relaxation der Muskeln dieser Organe führt dazu, dass Medien durch das Organ hindurch bewegt werden. Technische Umsetzungen dieses für biologische Flüssigkeiten schonenden Pumpprinzips gibt es bisher nur in Form von Schlauchpumpen. Bei diesen Geräten steht einem kleinen Schlauchdurchmesser eine unverhältnismäßig große Antriebsmechanik gegenüber. Für die technologische Realisierung der in den peristaltischen Pumpenkörper 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 Möglichkeiten zur Reduzierung der Betriebsspannung untersucht. Es wird gezeigt, dass durch das Einbringen von anorganischen Partikeln mit hoher Dielektrizitätszahl eine Verdoppelung der Leistungsfähigkeit der Aktoren zu erwarten ist. Mit Hilfe eines Modells aus konzentrierten Bauelementen wird erklärt, wie der Schichtwiderstand der Elektroden Betriebsparameter wie z. B. die maximale Arbeitsfrequenz beeinflusst. Zur Charakterisierung der Aktoren werden spezielle Messplätze entwickelt. Um die gewonnen Messdaten verifizieren und erklären zu können wird ein elektrisch-mechanisches Modell dielektrischer Elastomerstapelaktoren entwickelt. Das mechanische Verhalten wird in diesem Modell mit Hilfe eines modifizierten Festkörpermodells beschrieben. Durch die Kombination des elektrischen und mechanischen Modells kann die dynamische Auslenkung der Aktoren über einen großen Frequenzbereich beschrieben werden. Im zweiten Teil wird die peristaltische Fluidförderung betrachtet. Es wird dargestellt, in welcher Form wichtige Parameter wie Wellenlänge, Amplitude und geometrische Abmessungen die Förderleistung beeinflussen. Es werden zwei Möglichkeiten aufgezeigt, wie aus dielektrischen Elastomeraktoren Fluidfördersysteme aufgebaut werden können. Mit Ergebnissen numerischer Simulationen werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Fluidsysteme aufgezeigt und es werden Designparameter für die Aktorik der peristaltischen Pumpe definiert. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich der Realisierung des Fluidfördersystems. 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 Pumpenkörper mit integrierten Aktorelementen und innenliegendem Kanal in einem durchgehenden Prozess vollautomatisiert hergestellt wird. Die Charakterisierung zeigt die Leistungsfähigkeit der Aktortechnologie und die fluidischen Kennwerte der Pumpe. Die Messungen an mehreren Pumpenexemplaren ergeben eine maximale Förderleistung von bis zu 11 µl/min. Damit zeigt diese Arbeit erstmalig, wie die Vorzüge dielektrischer Elastomerstapelaktoren für fluidische Anwendungen genutzt werden können