Dielektrische Elastomer-Stapelaktoren mit gelochten Elektroden für strukturdynamische Anwendungen

Dielektrische Elastomere versprechen als neuartige Wandlerwerkstoffe aufgrund ihrer geringen Dichte, ihrer hohen Flexibilität, ihrem großem Deformationsvermögen und ihrer kostengünstigen Verfügbarkeit innovative Lösungen den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Für aktive Systeme in der Strukturdynamik sind jedoch die konventionellen Konzepte für Elastomer-Stapelaktoren mit flexiblen Elektroden nachteilig, da diese bei der Anbindung an mechanisch dehnstarre Systeme erhebliche Verluste hervorrufen und aufgrund der niedrigen elektrischen Leitfähigkeit eine geringe Dynamik aufweisen. In dieser Arbeit wird daher ein neues, patentiertes Konzept für Elastomer-Stapelaktoren präsentiert, das auf metallischen, dehnstarren Elektroden basiert, die eine mikroskopisch feine Lochstruktur aufweisen. Sie gestattet dem Elastomer eine lokale Deformation aufgrund der kompressiblen Luft in den Löchern. Damit stellt sich trotz der Volumenkonstanz des Elastomermaterials eine makroskopische Kompressibilität mit gleichbleibender Querschnittsfläche des Stapelaktors ein. Die für die Dimensionierung und Optimierung dieser Aktoren notwendigen Methoden werden anhand von verschiedenen numerischen Berechnungsmodellen konsequent entwickelt und diskutiert. Sie bieten dem Anwender neue Auslegungswerkzeuge und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur maßgeschneiderten Entwicklung von dynamischen Aktoren auf Elastomerbasis. Aufbauend auf den numerischen Ergebnissen wird ein Aktor entworfen und als Funktionsdemonstrator aufgebaut. Er besteht aus galvanogeformten Nickelelektroden, die im Stapelverbund durch Elastomerschichten aus Naturkautschuk getrennt sind. Die anschließend durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen, wie ein solcher Aktor mechanisch, elektrisch und elektromechanisch charakterisiert und für den Einsatz in mechatronischen Systemsimulationen modelliert werden kann. Abschließend wird anhand zweier Anwendungen aus dem Bereich der Strukturdynamik die Einsatz- und Leistungsfähigkeit des Aktorkonzepts demonstriert. Einerseits wird der Funktionsdemonstrator zum Aufbau eines adaptiven Tilgers verwendet, andererseits als Inertialmassenaktor zur Schwingungsreduktion einer Leichtbaustruktur eingesetzt. Dabei wird die Erweiterung des Funktionsumfangs gegenüber rein passiven Elastomerkomponenten deutlich und die erfolgreiche strukturkonforme Integration aktorischer Funktionen in lasttragenden Komponenten gezeigt. Die gute Übereinstimmung der experimentellen und numerischen Ergebnisse bestätigt zudem die Gültigkeit und Anwendungsfähigkeit der zuvor vorgestellten Modellierungsstrategie und erlaubt zukünftig die Vorabbeurteilung anderer möglicher Einsatzgebiete des entwickelten Aktors