Sensorpflaster, Lautsprecher und Energiegewinnung aus Gummi

Auf der DKT in Nürnberg präsentiert das Center Smart Materials Cesma des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC aus Würzburg seine Entwicklungen im Bereich der Elastomere. Am Messestand können sich Interessierte über CeSMa und seine Arbeit informieren und anhand von Demonstratoren die neuartigen Sensoren, Aktoren und Generatoren kennenlernen.

Cesma forscht intensiv im Bereich der Smart Materials, die steuerbare sensorische, aktorische oder generatorische Funktionen erfüllen. Insbesondere Elastomere aus Silicon, die sich mittels magnetischer oder elektrischer Felder als Aktoren schalten lassen, ermöglichen vielfältige industrielle Anwendungen. Als Dehnungs- oder Drucksensoren können sie individuell an den jeweiligen Einsatzort angepasst und sogar in Textilien integriert werden. Sie sparen gleichzeitig Kosten, Gewicht, Material und Energie im Vergleich zu herkömmlichen Techniken.

Magnetorheologische Elastomere (MRE) lassen sich dank der in einer weichen Elastomermatrix eingebetteten Eisenpartikel magnetisch steuern und können so komplexe Bewegungen ausführen. Durch den einfachen Aufbau sind MRE eine Alternative zu konventionellen Elektromotoren oder elektromagnetischen Schaltern. Ihre Anwendungsmöglichkeiten reichen von Schwingungsdämpfern, über Dichtungen und Ventile bis hin zu weichen haptischen Elementen wie Knöpfen und Greifern.

Dielektrische Elastomere bestehen aus isolierenden Elastomerfolien, die auf beiden Seiten mit stark dehnbaren Elektroden überzogen sind. Mit Anlegen einer elektrischen Spannung verringert sich die Dicke der Folie durch die Anziehungskraft der beiden entgegengesetzt geladenen Elektroden. Dieses Wirkprinzip kann zum Beispiel genutzt werden, um geräuschlose und sehr leichte dielektrische Elastomeraktoren (DEA) als künstliche Muskeln in Prothesen oder Robotergreifern einzusetzen. Als Membran sind sie aber auch für extrem dünne und leichte Lautsprecher geeignet.

Durch Druck auf oder Zug an den Elastomerfolien ändert sich deren Dicke-Fläche-Verhältnis und damit die elektrische Kapazität als Messgröße. So erhält man dielektrische Elastomersensoren (DES), die kostengünstig über ein Folienverfahren hergestellt werden können. DES eignen sich sehr gut als großflächige, dehnbare und weiche Sensoren mit sehr hoher chemischer, thermischer und mechanischer Beständigkeit. Mit ihnen kann beispielsweise die Druckverteilung auf Sitzen oder Matratzen gemessen werden. Sie können zudem bereits in Textilien integriert werden und erlauben eine dreidimensionale Druckmessung durch eine speziell für Diabetiker entwickelte Socke, die den Träger vor zu hohen Druckbelastungen warnt.

Sensorpflaster mit einer Fläche von 1 cm² und einer Dicke von 2 mm können auch an unzugänglichen Stellen Druck oder Dehnung aufnehmen. Zusätzlich eingebrachte leitfähige Schichten spüren zusätzlich, ob sich ein Fremdobjekt nähert, womit elastische Kollisionsschutzüberzüge für Mensch-Maschine-Schnittstellen möglich werden.

Neuartige, umweltschonende Energiegewinnung aus geringen Wasserströmungen kleiner Flüsse wird nun durch dielektrische Elastomergeneratoren (DEG) möglich. Durch ein Rohrsystem (Venturi-Prinzip) wird Druck erzeugt, der zu einer periodischen Dehnung und Entspannung von Elastomerfolien führt. Mit Hilfe einer elektronischen Schaltung wird diese mechanische Dehnung direkt in elektrische Energie umgewandelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen regenerativen Energiewandlern erzeugen DEG keine optischen oder akustischen Störungen der Umwelt. Zusätzlich ist das System schonend für Umwelt und Tiere. Der Einsatz dieser Generatoren wäre auf Campingplätzen oder als Ladestationen für Elektrofahrräder und -autos in ländlichen Gebieten denkbar.

www.isc.fraunhofer.de
www.cesma.de

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