Development and Design Potential of Vehicle Seats using Dielectric Elastomer Actuators

Das Ziel dieser Arbeit liegt darin eine frei verformbare Fläche und die dafür benötigte Aktorik zu konzipieren. Mittels eines mechanisch aktiven Werkstoffs können neue technische und gestalterische Freiheitsgrade für Verstellelemente erschlossen werden. Vorteile des hier verwendeten dielektrischen Elastomers, einem elektroaktiven Polymerfilm, liegen in der geringen Dichte und seiner hohen geometrischen Veränderung bei elektrischer Aktivierung. Damit können leichte und flache Verstellelemente konzipiert werden, die zudem eine hohe gestalterische Vielfalt ermöglichen. In dieser Arbeit ist dies am Beispiel eines neuartigen Sitzkonzepts für Automobile dargestellt. In aktuellen Fahrzeugsitzen nimmt die Anzahl der Verstellmöglichkeiten zur Steigerung von Komfort und Flexibilität stetig zu. Diese werden über manuelle Kinetiken, durch Elektromotor-Getriebe-Kombinationen oder pneumatische Stellelemente bewegt. Komplexität, Gewicht und Bauraum des Sitzes steigen mit der Anzahl der Verstellmechanismen. Steigender Energiebedarf hervorgerufen von der Erhöhung des Fahrzeuggewichts und dem Betrieb der Verstellelemente, sowie die Abnahme des Bewegungsraumes der Insassen sind die Folgen. Anhand technischer Anforderungen, Nutzeranforderungen, Nutzerwünschen und den Materialeigenschaften des dielektrischen Elastomerfilms, werden Lösungen für neue Aktoren aufgezeigt. Mechanische, elektrische, chemische und elektromechanische Prüfungen liefern Aussagen über die Materialeigenschaften des dielektrischen Elastomerfilms. Aus den dielektrischen Elastomerfilmen wird ein neuartiger Blattfederaktor für die Verstellung einer Sitzfläche im Automobil konzipiert. Ein analytisches Modell dient der Beschreibung des stationären und des aktorischen Verhaltens des Blattfederaktors. Bei der Auslegung der Blattfederaktoren, werden konstruktionsunterstützende Methoden, wie die Finite-Elemente-Methode herangezogen. Darüber hinaus wird der Blattfederaktor in Aktivierungsversuchen hinsichtlich der Anzahl möglicher Verstellzyklen und dem Temperatureinsatzbereich untersucht. Die neue Aktorik zeigt ein hohes Potenzial für die Gewichts- und Bauraumersparnis, und schafft darüber hinaus neue ästhetische Freiheitsgrade. Sie ist modular einsetzbar und jedes der Module ist einzeln verstellbar und konfektionierbar. Somit sind auch in Zukunft verstellbare Sitzflächen, abweichend von den hier gezeigten Lösungen, unter geringem konstruktivem Aufwand realisierbar. Anhand eines Technologiedemonstrators, bestehend aus einer Polyurethan-Schaumfläche, getragen von freistehenden Armen aus Blattfederaktoren, werden die neu entwickelten und dadurch gewonnenen technischen und gestalterischen Freiheiten demonstriert.The aim of this work is, to develop a new free deformable area and its actuators. Based on mechanically active polymer compounds - dielectric elastomers - technical and aesthetic freedoms can be increased. A low density in combination with high activation strains are the advantages of the dielectric elastomer. This leads to flat and lightweight transducers for a free deformable area, which is shown on the basis of a new concept for an automotive seat. Recently, the increasing functionality in car seats, especially in comfort, is achieved by use of manual and pneumatic adjustments or electric motors and gears. Hence, complexity, weight and the fuel consumption rise. Furthermore room for the car´s occupants decreases, due to the space taken by the adaptive seats. Both, the technical and the user demands - user wishes - are part of the development process in this work. By means of mechanical, electrical, as well as chemical and electromechanical measurements the material properties of the dielectric elastomer are gathered. With respect to that, a new leafspring-actuator is designed. Furthermore, arm-like structures of leafspring-actuators are engineered and tested for application in car seats. An analytical model describes the static behavior of the actuators, while finite element models are used as a tool for design and optimization of these active structures. Moreover, new ground for interior design, due to the modular build-up of the actuators can be broken, by almost identical expenditure of time and design effort. With the help of a demonstrator, made from a thin plane of polyurethane foam, supported by arms of leafspring-actuators, new ways of designing a car seat are presented