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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektroaktiver Polymeraktuatoren sowie die erfindungsgemäß hergestellten Polymeraktuatoren. Das Herstellungsverfahren beruht auf einem erweiterten Schleuderverfahren.
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In vielen technischen Anwendungen haben sich heute effektive, kompakte Elektromotoren durchgesetzt. Der eindeutige Trend geht dabei zur Minimierung des Motors und der Steigerung der Leistungsdichte. Allerdings zeichnet sich ein Ende der Umsetzungsfähigkeit weiterer Bemühungen ab, da für diese klassische Technologie unüberwindbare, physikalische Grenzen gesetzt sind. So ist in bekannten Anordnungen die Verwendung eines Getriebes unabdingbar, was zwar zum einen den Einsatz eines adäquaten Antriebes erst ermöglicht, aber zum anderen die Leistungsdichte aufgrund erhöhter Reibungen und des zusätzlichen Gewichts reduziert. Die Verwendung von Elektromotoren als Direktantrieb beschränkt sich damit auf bestimmte Anwendungsgebiete.
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Für lineare Bewegungen existiert zwar eine breite Palette von Produkten des Standes der Technik, allerdings hat sich hier bereits ein Maximum an Leistungsdichte abgezeichnet. Zudem ist ein enormer Aufwand an Elektronik für deren Betrieb notwendig. Sollen natürliche Eigenschaften von Muskeln und Sehnen nachgebildet werden, beispielsweise in der Prothetik, so muss ein enormer Aufwand an zusätzlichen elektromotorischen Antrieben aufgewandt werden, um die gestellte Aufgabe zu lösen (S. Chiba, M. Waki (2011); Extending Applications of Dielectric Artificial Muscles to Wireless Communication Systems, Recent Advances in Wireless Communications and Networks, Prof. Jia-Chin Lin (Ed.), InTech.).
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Um in Zukunft den Wirkungsgrad von motorischen Systemen, insbesondere von solchen mit linearen Bewegungsmustern, weiterhin steigern zu können, müssen Antriebssysteme entwickelt werden, welche die ihnen zugeführte elektrische Energie direkter in kinetische Energie umsetzen, als bisher bekannte Systeme.
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Zu diesen Technologien gehört die Gruppe der sogenannten „Elektroaktiven Polymere”, kurz „EAP”. Eine Untergruppe dieser elektroaktiven, funktionellen Polymere sind die sogenannten „dielektrischen elektroaktiven Polymere”.
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Aktuatoren, welche auf dielektrischen elektroaktiven Polymeren (Dielektrika) basieren, bestehen in ihrer Grundform aus einer elastischen Grundschicht, mit dielektrischen Eigenschaften, die beidseitig mit jeweils einem leitfähigen, elastischen Elektrodenmaterial beschichtet ist. Sie gleichen somit in ihrem Aufbau einem Kondensator. Wird eine elektrische Spannung an die Elektroden gelegt, dann ziehen sich ungleich geladene Elektroden aufgrund ihrer elektrostatischen Anziehungskraft an und pressen das elastische Dielektrikum zusammen. Dieser Effekt kann dann in verschiedenen Bewegungen nutzbar gemacht werden.
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Zurzeit weist der Stand der Technik verschiedene gebräuchliche Verfahren zur Herstellung solcher Polymeraktuatoren auf. Die dabei angewandten Verfahren sind insbesondere die Folgenden:
- • Gussverfahren: Bei dem sehr gebräuchlichen Gussverfahren werden die Elektroden und Dielektrika abwechselnd in eine entsprechende Form gegossen und bilden somit die unterschiedlichen Schichten des Aktuators. Meist muss für die Herstellung der einzelnen Schichten zur Erzielung niedriger Dicken ein enormer Zusatz an oft giftigen Lösungsmitteln mit verarbeitet werden. Dazu sind entsprechende Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Das Verfahren verlängert sich abhängig von Art und Menge des zugegebenen Lösungsmittels. Es müssen daher stets unterschiedliche Prozesskomponenten bereitgestellt werden.
- • Kalandrieren und Pressen von Folien: Die einzelnen Schichten (Elektroden und Grundschicht) werden hier über einen Kalander oder eine Plattenpresse auf die gewünschte Dicke gebracht. Später werden die einzelnen Schichten miteinander verklebt. Diese Verfahren sind je nach Shore-Härte des Materials beziehungsweise des Vulkanisationsverfahrens allerdings nicht auf alle Elastomere anwendbar, insbesondere wenn, wie auch für Polymeraktuatoren wünschenswert, sehr dünne Schichten erforderlich sind. Zudem sind die notwendigen Anlagen groß und teuer.
- • Extrusion und Strangpressen: Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Schichten durch Extruder gepresst. Häufig werden mehrere Schichten zusammen in einem Schritt extrudiert, so dass sich ein vollständiges Aktuatorpaket in einem Schritt pressen lässt. Aufgrund der während des Verfahrens herrschenden hohen Drücke unterliegen die Anlagen einer hohen Belastung und sind daher sehr teuer. Darüber hinaus sind meist nur thermoplastische Elastomere sinnvoll zu verarbeiten, da bei nicht-thermoplastischen Elastomeren die Vulkanisation erst nach dem Extruder induziert werden kann. Extrusion und Strangpressen sind daher nur für solche Materialien sinnvoll anzuwenden, bei denen die Formstabilität nach dem Austritt aus dem Extruder gewährleistet ist. Dies kann nur für solche Elastomere gewährleistet werden, die eine hohe Viskosität besitzen. Dies führt jedoch zu einem hohen Druck, der bei der Herstellung notwendig wird. Die für effiziente Aktuatoren erforderlichen geringen Schichtdicken lassen sich so nicht erzielen.
- • Herstellung und Beschichtung durch Sprühen: Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von extrem dünnen Schichten, sowohl des Polymers als auch der Elektroden. Allerdings erfordert es in der Regel einen extensiven Einsatz von Lösungsmitteln, um die verwendeten Polymere in einen verarbeitungsfähigen Zustand zu versetzen. Daher sind diese Verfahren nur unter erhöhtem Sicherheitsaufwand (Explosion, gesundheitsgefährdende Exposition, Entsorgung) und den damit verbundenen Kosten durchzuführen.
- • Beschichtung durch Siebdruck: Dieses Verfahren ermöglicht in erster Linie die Aufbringung der Elektroden, wie dies beispielsweise in US 2011/0155307 A1 oder US 2011/0169184 A1 für Graphitelektroden offenbart ist. Es sind sehr dünne Schichten erzielbar. Allerdings ist ein erhöhter Aufwand an Lösungsmitteln erforderlich. Zudem sind die Siebe in der Regel groß und sperrig, und die Haltbarkeit der Siebe ist bei der Verarbeitung von Polymeren gering. Das Verfahren ist somit ungeeignet für die Massenproduktion von Aktuatoren.
- • Lackieren: Auch das Aufbringen von leitfähigen Lacken oder Tinten zur Herstellung der Elektroden ist möglich (siehe beispielsweise WO 2012/118916 A2 ). Durch die unterschiedlichen Härten und die Anforderungen an die Elastizität ist dieses Verfahren jedoch für viele Anwendungen ungeeignet.
- • Sputtern: Dielektrische Schichten können im Vakuum mit Metallatomen leitfähig beschichtet werden. Dies ist so beispielsweise in US 2011/0155307 A1 oder US 2011/0169184 A1 offenbart. Allerdings eignet sich das Verfahren nur für kleine Proben und ist teuer.
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WO 2005/086249 A1 offenbart ein Verfahren, in welchem ein Elastomerfilm durch Aufschleudern und Aushärten auf eine rotierende Unterlage hergestellt wird. Anschließend wird dieser Film mit Graphitpulver druckluftbeschichtet. In
WO 2006/123317 A2 werden die Elektroden durch Implantierung von Metallionen in die Polymerschicht erhalten.
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Als Materialien für die Grundschicht werden zumeist Elastomere verwendet, welche eine geringe Shore-Härte, eine hohe Reißdehnung, eine niedrige Viskosität im gelösten Zustand sowie eine verhältnismäßig hohe relative Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit) aufweisen. Zur Verarbeitung und auch aufgrund seiner positiven Materialkennwerte eignet sich Silikon sehr gut für die Verwendung als Dielektrikum (Seiki Chiba und Mikio Waki (2011). Extending Applications of Dielectric Elastomer Artificial Muscels to Wireless Communication System, Recent Advances in Communications and Networks, Prof. Jia-Chin Lin (Ed.), InTech). Seine Viskosität lässt sich mit einer Vielzahl von polaren Lösungsmitteln günstig beeinflussen. Auch die Topfzeit, also die Verarbeitbarkeitsdauer von ein- oder mehrkomponentigen Silikonen lässt sich durch Zugabe von Lösungsmitteln gut einstellen.
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Füllstoffe, welche dem Polymer zugegeben werden können, haben in der Regel den Zweck, die Permittivität zu erhöhen beziehungsweise dem Polymer elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Um die Permittivität zu erhöhen werden in der Regel Stoffe mit einer sehr hohen Permittivität, wie beispielsweise BaTiO3 verwendet. Füllstoffe zur Bildung elektrischer Leitfähigkeit sind beispielsweise Ruß oder Graphit. Diese Stoffe können so in die Elastomermatrix eingebracht werden, dass die ursprünglichen Materialeigenschaften des Elastomers weitgehen erhalten bleiben.
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Die meisten der im Stand der Technik beschriebenen Verfahren erzeugen zunächst nur eine Schicht mit Elektroden. Soll ein Aktuator mehrere dielektrische Schichten aufweisen, so müssen die Schichten beispielsweise zunächst einzeln hergestellt und dann in einem zusätzlichen Prozessschritt miteinander verklebt werden.
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Der Stand der Technik beschreibt somit eine Vielzahl von Prozesstechniken zur Herstellung von EAP-Aktuatoren (elektroaktiven Polymeraktuatoren) auf, welche aber wesentlichen Nachteilen unterliegen. Diese sind insbesondere
- • Geringe Flexibilität bei der Auslegung der Aktuatorstrukturen, beispielsweise im Hinblick auf Schichtdicken, Dimensionen und Anzahl der Schichten
- • Bindung an bestimmte Werkstoffgruppen wie thermoplastische Elastomere
- • Hoher technischer Aufwand und kostenintensiver Betrieb
- • Extensiver Einsatz von meist giftigen und gefährlichen Lösungsmitteln
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit welcher die Nachteile des Standes der Technik bei der Herstellung elektroaktiver Polymeraktuatoren vermieden werden können.
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Zur Lösung der vorliegenden Aufgabe der Erfindung wird in einer ersten Ausführungsform ein Verfahren offenbart, welches auf einem erweiterten Schleuderverfahren basiert. Die Begriffe ”Trommel” und ”Schleudertrommel” werden im Folgenden synonym verwendet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Polymeraktuators 3 aus wenigstens einer elastischen Grundschicht 1 mit dielektrischen Eigenschaften, und wenigstens einem leitfähigen, elastischen Elektrodenmaterial auf den einander gegenüberliegenden Seiten der Grundschicht 1, umfasst die folgenden Schritte:
- a) Einbringen einer fließfähigen Mischung wenigstens eines polymeren Materials mit dielektrischen Eigenschaften zur Ausbildung einer ersten Grundschicht 1 und wenigstens eines Elektrodenmaterials zur Ausbildung einer ersten Elektrode auf einer Seite der Grundschicht 1, wobei das wenigstens eine polymere Material und das wenigstens eine Elektrodenmaterial voneinander verschiedene Dichten aufweisen, in eine bei einer ersten vorbestimmten Drehzahl rotierende Trommel 8,
- b) weiteres Drehen der Trommel 8 bei einer zweiten vorbestimmten Drehzahl für eine ausreichende Dauer, zur Anreicherung des Elektrodenmaterials in einer äußeren Schichtpartie,
- c) Aushärten des wenigstens einen polymeren Materials und
- d) Aufbringen eines oder mehrere Elektrodenmaterialien auf die ausgehärtete Grundschicht 1 zur Ausbildung einer zweiten Elektrode 2b auf der Seite der Grundschicht 1, welche der ersten Elektrode 2a gegenüber liegt.
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1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polymeraktuators 3.
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Dabei wird beim erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zum Stand der Technik nicht auf unterschiedliche Materialien für Dielektrikum (polymeres Material) und Elektrode zurückgegriffen, sondern zur gleichzeitigen Herstellung jeweils einer Elektrode und eines Dielektrikums in einem Schritt, ein gemeinsames Material in Form einer fließfähigen Mischung verwendet. Erfindungsgemäß wird hierbei das Material des Dielektrikums mit dem der ersten Elektrode 2a gemischt. Die Mischung wird dann bei einer ersten Drehzahl in eine rotierende Trommel 8 eingefüllt und bei einer zweiten Drehzahl zentrifugiert. Durch den Schleudervorgang trennen sich die Stoffe und bilden eine Elektrodenschicht und eine dielektrische Schicht. Dabei reichert sich das wenigstens eine Elektrodenmaterial 2a, 2b in einer äußeren Schichtpartie an. ”Äußere Schichtpartie” bedeutet hier ein Bereich der aufgetragenen Mischung beziehungsweise der durch das Schleudern erhaltenen Polymerschicht, wobei mit ”außen” die Richtung der Trommelwand zu verstehen ist. Wird im Folgenden eine äußere Schicht oder Schichtpartie beschrieben, so ist unter ”außen” immer die Seite des Polymeraktuators 3 zu verstehen, welche in Richtung der Trommelwand liegt. Die innere Seite ist die der äußeren Seite gegenüberliegende Seite, also die Seite, welche in Richtung des Innenraums beziehungsweise der Rotationsachse 12 der Trommel 8 zeigt.
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Selbstverständlich umfasst die vorgenannte Ausführungsform auch die Variante, dass die Rotation der Trommel erst nach dem Einfüllen der Mischung gestartet wird.
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Das wenigstens eine Elektrodenmaterial ist bevorzugt ausgewählt aus Ruß, Kohlenstoffnanoröhrchen, Silber, Graphit und/oder Polyanilin.
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Neben dem Elektrodenmaterial und dem polymeren Material kann die Mischung weitere Füllstoffe enthalten. Diese ermöglichen die Erhöhung der Permittivität der Mischung. Die Füllstoffe sind bevorzugt ausgewählt aus BaTiO3, Ruß und/oder Graphit.
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Die Dicke der beiden Schichten sowie die Dichte der Elektrodenschicht können durch die erste und zweite Drehzahl, den Umfang der Trommel 8 und die Eigenschaften der Mischung beeinflusst werden. So können beispielsweise die erste und zweite Drehzahl gleich oder voneinander verschieden sein. Sind die Drehzahlen voneinander verschieden, ist die erste Drehzahl bevorzugt geringer als die zweite Drehzahl. Der Einsatz von Lösungsmittel kann durch die Veränderung anderer Prozessparameter minimiert und häufig auch vollständig ausgeschlossen werden.
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Weist die Fließfähige Mischung ein Lösungsmittel auf, so ist es erfindungsgemäß möglich, dass man dieses Lösungsmittel zurückgewinnt. Bei einer vorbestimmten Drehzahl, welche abhänig von der Art des Lösungsmittels ist und die vom Fachmann bestimmt werden kann, reichert sich das Lösungsmittel an der zur Trommelachse gerichteten Seite an. Bei dieser Drehzahl kann dann das Lösungsmittel gezielt aus der Trommel 8 abgeführt werden, was eine erneute Verwendung des Lösungsmittels ermöglicht. Dabei muss das Lösungsmittel eine geringere Dichte aufweisen als die lösungsmittelhaltige fließfähige Mischung.
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Die gegebenenfalls benötigte Menge an Lösungsmittel ist von der Auswahl des polymeren Materials abhängig. Die Menge an eingesetztem Lösungsmittel bestimmt die Viskosität der fließfähigen Mischung. Eine ausreichend niedrige Viskosität ist für die Verteilung des Elektrodenmaterials sowie gegebenenfalls vorhandener Füllstoffe in dem polymeren Material von Vorteil. Eine entsprechend geringe Viskosität ermöglicht auch eine verbesserte Verteilung der fließfähigen Mischung im Inneren der Trommel 8. Die Viskosität ist dabei nicht nur vom polymeren Material, sondern auch von Art und Anteil des Elektrodenmaterials bzw. der Füllstoffe abhängig. Dabei ist die Menge an benötigtem Lösungsmittel im erfindungsgemäßen Verfahren geringer als im Stand der Technik beschrieben. Auch ein lösungsmittelfreies Arbeiten ist möglich.
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Ist jedoch eine geringe Viskosität, beispielsweise zur Beschleunigung des Separationsprozesses, erwünscht, so kann das Lösungsmittel im erfindungsgemäßen Verfahren abgetrennt und gesammelt werden. Bei der Verwendung von Lösungsmitteln mit einer geringeren Dichte als die der fließfähigen Mischung, führt die Separation während des Schleudervorgangs dazu, dass sich das Lösungsmittel rasch von der polymeren Grundschicht 1 bzw. der Elektrodenschicht 2a, 2b trennen kann. Das Lösungsmittel sammelt sich dann im inneren Bereich der Trommel 8, also zur Rotationsachse der Trommel 8 hin an. Das Lösungsmittel kann dann gezielt abgeführt und gesammelt werden. Ein parallel zu einem Gasatmosphärenaustausch durchgeführter Heizvorgang kann die Vernetzung des Polymers und die Abtrennung des Lösungsmittels nochmals beschleunigen.
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Die wenigstens eine Grundschicht 1 des erfindungsgemäß hergestellten Polymeraktuators 3 umfasst wenigstens ein polymeres Material. Dieses weist dielektrische Eigenschaften auf. Die Begriffe ”Dielektrikum”, ”polymeres Material” und ”Polymer” werden in der vorliegenden Anmeldung daher synonym verwendet. Das Polymer/die Polymere der fließfähigen Mischung ist/sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend ein- und mehrkomponentige Siloxane, Acryle, Urethane, Kautschuk, Polyolefine, natürliche und synthetische Gummikautschuke. Diese Polymere sind auf Grund ihrer Flexibilität, guten Verarbeitbarkeit und gut einzustellender Parameter, wie Topfzeit oder Viskosität, bevorzugt.
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Der Ausdruck ”wenigstens ein” im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet, dass von dem nachfolgend genannten Material/Bestandteil jeweils ein, zwei, drei oder mehrere, beispielsweise in Form von Mischungen, enthalten sein können.
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Während des Schleudervorgangs, bei welchem die Trommel 8 bei der zweiten vorbestimmten Drehzahl rotiert, wird zu einem geeigneten Zeitpunkt die Aushärtung des Polymers initiiert. Eine oder mehrere weitere Schichten können auf gleiche Art und Weise hinzugefügt werden, bis die geplante Lagenzahl erreicht ist. Dabei kann es sich bei der weiteren Schicht um die zweite Elektrode 2b handeln. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass man nach der Aushärtung der Mischung in Schritt c) und vor dem Aufbringen des Elektrodenmaterials in Schritt d) eine oder mehrere weitere polymere Materialien in die sich bei einer dritten vorbestimmten Drehzahl drehenden Trommel 8 einbringt, zur Ausbildung einer oder mehrerer zusätzlicher polymerer Schichten. Dabei kann die dritte vorbestimmte Drehzahl gleich oder unterschiedlich zur ersten und/oder zweiten Drehzahl sein. Auch die dritte Drehzahl kann während des Schleudervorgangs konstant sein oder kontinuierlich oder diskontinuierlich variiert werden.
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Wird als weitere Schicht eine polymere Schicht aufgetragen, so erfolgt nach dem Trocknen dieser polymeren Schicht der Auftrag der inneren Elektrode. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass nacheinander mehrere polymere Schichten aufgetragen werden, bevor die innere Elektrode aufgebracht wird. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, dass die jeweiligen polymeren Schichten dasselbe oder unterschiedliche Polymere umfassen, insbesondere aus diesen bestehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Herstellung eines Polymeraktuators 3, dessen Grundschicht 1 aus einer Vielzahl polymerer Schichten besteht.
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Bestehen die Schichten aus demselben Polymer oder umfassen dasselbe Polymer, so besteht zwischen den einzelnen polymeren Schichten der Grundschicht eine besonders gute Haftung. Diese kann noch weiter verbessert werden, wenn die zweite Schicht aufgebracht wird, bevor die erste Schicht vollständig ausgehärtet ist. Auf diese Weise kann auch bei Schichten aus voneinander unterschiedlichen Polymeren die Haftung zwischen den Schichten verbessert werden. Durch die Wahl unterschiedlicher Polymere ist es möglich, die Eigenschaften des Polymeraktuators 3 gezielt einzustellen und zu kontrollieren. Ein Kleber, mit welchem die einzelnen Schichten verbunden werden, ist nicht notwendig.
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Dabei ist die Anzahl der Schichten, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht werden kann, nicht begrenzt. Die Anzahl der Schichten bestimmt die dynamischen Eigenschaften des elektroaktiven Polymeraktuators 3. Die Zahl der Schichten wird daher so gewählt, dass der elektroaktive Polymeraktuator 3 die gewünschte mechanische Materialspannung aufweist. Durch die Zahl der Schichten werden ebenfalls die erzielbare Zugkraft, die erzielbare Weglängenänderung und die dazu einzustellende maximale elektrische Spannung bestimmt. Entsprechend den Bedürfnissen und Vorgaben einer späteren Anwendung können Art und Anzahl der Schicht gewählt werden.
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Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass vor dem Einbringen der fließfähigen Mischung in Schritt a) in die Trommel eine rein dielektrische Schicht eingebracht wurde. Diese Dielektrische Schicht kann als äußere Elektrode dienen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Herstellung eines Polymeraktuators aus einer Vielzahl von Schichten. Dabei kann nicht nur die Zahl der Schichten frei eingestellt werden. Es ist auch möglich, voneinander unterschiedliche Schichten aufeinander aufzubringen, ohne dass diese miteinander verklebt werden müssen. Dabei weisen die Schichten dennoch eine sehr gute Haftung miteinander auf. Die Schichten können sich dabei in ihrer polymeren Zusammensetzung unterscheiden. Es ist jedoch auch möglich, dass die aneinander grenzenden Schichten das gleiche polymere Material aber unterschiedliche Füllstoffe und/oder Elektrodenmaterial oder den gleichen Füllstoff oder das gleiche Elektrodenmaterial jedoch in unterschiedlichem Gewichts-Anteil umfassen. Es können auch Schichten aus polymerem Material mit Schichten aus Elektrodenmaterial (Elektrode) abwechselnd aufeinander aufgebracht werden. Dabei ist es jedoch für die Anwendung als Polymeraktuator bevorzugt, wenn jeweils nur eine innere Elektrode und eine äußere Elektrode vorhanden sind und sich keine weitere Elektrode (also eine Schicht, die nur aus Elektrodenmaterial besteht) im Inneren der polymeren Grundschicht 1 befindet.
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Nach Abschluss des Verfahrens wird der Polymeraktuator 3 in Form einer Folie aus der Trommel entnommen und kann verwendet werden.
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Die Vorteile dieses Verfahrens und der offenbarten Anordnung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- • Für den Prozess ist nur eine Materialmischung erforderlich; dadurch wird der Aufwand der Bereitstellung und Bereithaltung von Roh- und Zwischenstoffen reduziert
- • Durch das Zentrifugieren entsteht ein Dichteübergang zwischen Dielektrikum und Elektrodenschicht, welcher die Permittivität des Dielektrikums erhöht und den Wirkungsgrad des Aktuators 3 erhöht
- • Der Einsatz von giftigen und gefährlichen Lösungsmitteln kann stark reduziert und sogar vollständig ausgeschlossen werden
- • Der Prozess ist gut parametrisierbar, somit lassen sich fast beliebige Größen, Geometrien, Schichtdicken und Anzahl der Schichten erzielen
- • Hohe Prozesssicherheit erzielt hohe, reproduzierbare Qualität und gute a priori Bestimmbarkeit der Aktuatorparameter
- • Durch die Kapselung der Anordnung und die Bestimmbarkeit der Prozessparameter ist es möglich, die Qualität einer Reinraumproduktion zu erhalten und die Kosten erheblich zu reduzieren
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zunächst eine Mischung aus wenigstens einem polymeren Material, welches in flüssiger Form bereitgestellt wird, und wenigstens einem leitfähigen Elektrodenmaterial hergestellt wird. Das leitfähige Elektrodenmaterial liegt dabei bevorzugt in fester, pulverförmiger Form oder aber in flüssiger Form vor. Das polymere Material und das leitfähige Elektrodenmaterial haben dabei eine voneinander verschiedene Dichte; außerdem ist das polymere Material über die aus dem Stand der Technik bekannten Eigenschaften wie Härte, Viskosität, Dichte, Reißfestigkeit parametrisiert. Es ist bevorzugt, dass die Mischung homogen ist, um eine gleichmäßige Verteilung der Schichten nach Abschluss des Prozesses zu erzielen. Zusätzlich kann es bevorzugt sein, dem Gemisch ein geeignetes Lösungsmittel hinzuzufügen, um Parameter wie Viskosität und zeitliche Parameter, wie beispielsweise die Dauer bis zur Aushärtung, einzustellen.
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Weiterhin offenbart ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Polymeraktuatoren 3, umfassend eine rotierende Trommel 8, einen Antriebsmotor 6 und wenigstens eine axiale Durchführung 5, gelöst. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Trommel zwei oder mehrere axiale Durchführungen 5 aufweist. Es ist jedoch auch möglich das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Trommel 8 mit nur einer axialen Durchführung 5 durchzuführen.
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Der Antriebsmotor 6, welcher beispielsweise über Kegelzahnräder 2 mit der Trommel 8 mechanisch verbunden ist, versetzt diese Trommel 8 in rasche Drehbewegung. Die an die Trommel zunächst gelegte erste Drehzahl hängt dabei insbesondere vom Dichte- und Massenverhältnis der beiden Mischungspartner ab. Der Antriebsmotor 6 kann dabei über aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren verfügen, um eine feste Drehzahl zu regeln. Sobald die zu erzielende erste Drehzahl eingeregelt ist, wird die fließfähige Mischung aus Polymer und leitfähigem Elektrodenmaterial über eine axiale Durchführung 5 mit Hilfe einer Vorrichtung zum Materialauftrag in die sich drehende 8 Trommel eingefüllt. Erfindungsgemäß kann es sich bei der Vorrichtung zum Materialauftrag um einen Sprüh-, Dosier-, Dispenser- oder Druckkopf, eine Rolle, einen Pinsel, eine Sonde, eine Spritze oder andere bekannte Vorrichtungen zum Materialauftrag handeln. Die zu erzielende Größe der herzustellenden Folie wird primär über die Dimensionierung der Trommelparameter festgelegt.
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Die Vorrichtung ist schematisch in den 2 bis 6 dargestellt. Dabei zeigt 2 eine Außenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 ist eine Schnittansicht von 2. 4 zeigt unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten der Trommel 8. 5 ist ein Querschnitt der Trommel 8 in einer möglichen Ausführungsform. 6 zeigt die Trommel 8 zusammen mit möglichen zusätzlich vorhandenen Manipulationsvorrichtungen.
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Gemäß 4A und 4B kann die Trommel 8 ein- oder zweiseitig aufgehängt sein. Die Trommel 8 selbst besteht bevorzugt aus einem Material, von welchem sich das verwendete Polymer nach dem Aushärten wieder leicht ablösen lässt. Bei der Verwendung einer Silikonmatrix kann die Trommel 8 beispielsweise aus PTFE bestehen oder entsprechend beschichtet sein. Alternativ kann die Innenseite der Trommel 8 vor dem Einfüllen des Materials für die erste Schicht auch mit einem geeigneten Trennmittel, beispielsweise Wachs, vorbeschichtet sein.
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Weiterhin ist es in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Trommel 8 nicht direkt mit den Polymerschichten in Kontakt kommt, sondern dass zum Zwecke der raschen Entnahme und Weiterverarbeitung des Schichtsystems eine entsprechende Trägerstruktur beziehungsweise ein Einsatz 10 in die Trommel 8 eingesetzt werden kann. Dieser Einsatz 10 kann wiederum solche Materialeigenschaften aufweisen, die ein leichtes Ablösen des Polymeraktuators ermöglichen, beziehungsweise entsprechend mit einer entsprechenden permanenten oder temporären Beschichtung versehen sind. Auch können die Trommel 8 beziehungsweise der Einsatz 10 wie in 4C schematisch gezeigt segmentiert sein. Der erfindungsgemäße Einsatz 10 ist aus der Trommel 8 entnehmbar und bevorzugt geteilt oder teilbar, wodurch sich eine weitere Erleichterung bei der Entnahme des Schichtsystems ergibt. Die Begriffe Trägerstruktur und Einsatz werden im Folgenden synonym verwendet.
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Es kann weiterhin möglich sein, dass die Trägerstruktur beziehungsweise der Einsatz 10 eine Trägerfolie oder Struktur darstellt, welche der Trommel zugeführt werden kann, ohne das die Trommel geöffnet werden muss. Dies kann beispielsweise über sichelförmige Schlitze oder Nuten in der Trommel 8 erfolgen. Hierdurch kann der Fertigungsprozess weiter beschleunigt und vereinfacht werden.
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Die Trägerstruktur beziehungsweise der Einsatz 10 selbst kann erfindungsgemäß vollständig oder teilweise leitfähig sein. Dabei kann er vollständig aus einem leitfähigen Material bestehen. Alternativ kann er Strukturen oder Bestandteile aus einem leitfähigen Material aufweisen.
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Hierdurch kann der elektrische Widerstand der in das Innere der Trommel 8 aufgebrachten Schichten während des Vorgangs gemessen werden. Dies ermöglicht, die erste und/oder zweite Drehzahl anhand des Widerstandes zu regeln beziehungsweise den Zeitpunkt von Drehzahlveränderungen und der Einleitung weiterer Maßnahmen festzulegen.
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So kann der elektrische Widerstand auch zum Heizen der Elektrode und somit zur Steuerung des Aushärteprozesses in situ verwendet werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren können Prozessparameter daher mit Hilfe des elektrischen Widerstandes der fließfähigen Mischung beeinflusst oder geregelt werden.
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Erfindungsgemäß wird nun die fließfähige Mischung auf den Einsatz 10 aufgebracht. Ist der Einsatz 10 eine Folie, so kann diese Folie Bestandteil des gemäß dem Verfahren erhaltenen Polymeraktuators sein. Dabei kann die Folie die äußere Elektrode darstellen. In diesem Fall handelt es sich bei der Folie bevorzugt um eine Folie aus wenigstens einem teilweise Leitfähigen Material oder sie weist leitfähige Strukturen auf. Die Trägerstruktur 10 kann auch eine Struktur darstellen. Diese kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass der elektrische Kontakt verbessert werden kann. Im Ergebnis erhält man einen Polymeraktuator, der auf Grund des Herstellungsverfahrens in eine Trägerstruktur 10 implementiert oder auf eine Trägerstruktur 10 aufgebracht wird, wobei mit dieser Implementierung/Aufbringung eine mechanische und elektrische Anbindung sowie Kraft Ein- und weiterleitung erreicht werden kann. Der Polymeraktuator kann in diesem Fall schnell und einfach aus der Trommel 8 entnommen und direkt eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß kann es sinnvoll sein, die Drehzahl zu Prozessbeginn niedrig zu lassen (erste Drehzahl) und erst nach Beendigung der Befüllung auf die zweite Drehzahl zu erhöhen. Erste und zweite Drehzahl können hierbei jeweils konstant gehalten werden. Auch kann es erfindungsgemäß sinnvoll sein, die erste Drehzahl während der Befüllung zu variieren und/oder die zweite Drehzahl während des Schleuderns, also des weiteren Drehens, zu variieren. Dabei können erste und/oder zweite Drehzahl kontinuierlich oder diskontinuierlich geändert werden. Werden weitere Schichten aufgebracht, so ist es selbstverständlich auch möglich, deren Drehzahlen entsprechend anzupassen oder zu ändern.
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Die axiale Durchführung 5 ist bevorzugt aus einem Material gefertigt, welches die statische Last während des Schleudervorgangs aufnehmen kann. Zusätzlich kann die axiale Durchführung 5 auf der Innenseite aus einem Material mit niedriger Reibungszahl beschichtet sein, um die Verschiebung beispielsweise einer Sonde im Inneren zu erleichtern. Die Befüllung der Trommel 8 ist abgeschlossen, sobald genügend Material für die geplante End-Dicke der Grundschicht 1 und der Elektroden eingefüllt ist.
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Nach dem Befüllen wird die Trommel 8 in eine entsprechend hohe zweite Drehzahl versetzt. Dieser Zustand wird dabei so lange beibehalten, bis sich die beiden Materialien, also polymeres Material und Elektrodenmaterial, getrennt haben. Dabei bildet sich erfindungsgemäß eine leitfähige Schicht in einer äußeren Schichtpartie des Polymermaterials aus, sowie eine innere Schicht, welche nur aus dem Polymer besteht. Weiterhin kann sich je nach Beschaffenheit des leitfähigen Materials und der eingestellten Parametern, wie Viskosität der Mischung und Drehzahl, eine Übergangschicht bilden, welche nicht leitfähig ist, jedoch eine besonders hohe Permittivität aufweist.
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Nach Abschluss des Schleudervorgangs werden die Schichten ausgehärtet. Dabei kann dies erfindungsgemäß über die Eigenschaften des Polymers selbst geschehen, beispielsweise bei ein- oder mehrkomponentigen Polymeren aufgrund der induzierten Selbstaushärtung. Dieser Prozess kann erfindungsgemäß beschleunigt werden, indem eine Heizvorrichtung, durch eine axiale Durchführung 5 in die Trommel 8 eingeschoben wird. Bevorzugt weist die Trommel 8 wenigstens zwei axiale Durchführungen 5 auf. Durch eine Durchführung 5 kann beispielsweise die fließfähige Mischung eingebracht werden, während durch die weitere Durchführung eine Heizvorrichtung in die Trommel 8 eingebracht wird. Bei der Heizvorrichtung kann es sich um eine Heißluftquelle, eine Heizlampe (IR-Lampe) oder andere Heizeinrichtungen des Standes der Technik handeln. Weiterhin kann, sofern die Trommel 8 aus einem hitzebeständigen Material beschaffen ist, die Heizung auch von außen an die Trommel 8 herangeführt werden. Weiterhin kann, um erfindungsgemäß in erster Linie Zeitparameter wie die Aushärte- oder Tropfzeit zu beeinflussen, eine Kühlvorrichtung im gleichen Maße wie die Heizung über die Durchführung 5 oder von außen an die Trommel 8 herangeführt werden. In 6 sind schematisch Zusatzeinheiten 16 gezeigt, mit welchen das Verfahren beeinflusst werden kann. Eine Heizvorrichtung ist eine mögliche Zusatzeinheit 13 im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung sieht zusammen mit dem offenbarten Verfahren die Möglichkeit vor, weitere Zusatzeinheiten 16 wie eine Lampe mit starken ultravioletten oder infraroten Lichtanteilen über die Durchführungsöffnungen 5 in das Innere der Trommel 8 zu führen. Somit können Polymere zur Anwendung kommen, bei welchen der Aushärtungsprozess durch die Bestrahlung mit UV-Licht initiiert und/oder beschleunigt werden kann. Hierdurch erhält man weitere, nützliche Parameter zu Steuerung des Verfahrens. Durch die Bestrahlung mit einer infraroten (IR) Strahlungsquelle lässt sich ebenso die Aushärtung steuern oder beschleunigen. Die zur Vulkanisation benötigte Wärme kann durch die IR-Lampe eingebracht werden. Eine weitere Belüftung zur Aushärtung des Materials ist hier dann nicht mehr notwendig. Eine Belüftung beispielsweise zum Abtransport eventuell vorhandener Lösungsmitteldämpfe kann jedoch weiterhin eingesetzt werden.
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Um weiterhin die Permittivität des Dielektrikums oder die Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials zu optimieren oder andere Effekte, wie piezoelektrische Eigenschaften im Polymer oder Polymergemisch zu erzeugen, kann es die offenbarte Anordnung mit Hilfe von weiteren Zusatzeinheiten 13 vorsehen, starke Permanentmagnete oder Elektromagnete gleichzeitig ins Innere der Trommel und/oder gleichzeitig an die Außenwand der Trommel heranzuführen und so das Material einem magnetischen Feld auszusetzen, so dass sich enthaltene magnetisch aktive Komponenten an dem Feld ausrichten. Genauso ist es auf analoge Weise möglich, elektrostatisch geladene Flächen in das Innere der Trommel 8 und/oder von außen an die Trommel 8 heranzuführen, um die Schichten einem starken elektrischen Feld auszusetzen. Somit können erfindungsgemäß auch elektrostatisch aktive Materialien an den elektrischen Feldlinien orientiert und die daraus entstehenden Effekte genutzt werden. Ist eine axiale Orientierung der elektrostatisch oder magnetisch aktiven Materialien erforderlich, so kann die Einleitung des Feldes auch über die Trommeldeckel 11 erfolgen.
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Nach dem Aushärten der Schicht können weitere Schichten auf die gleiche Art und Weise aufgetragen werden, wie zuvor offenbart. Darüber hinaus kann, je nach Reihenfolge der Schichten, die Struktur mit einer rein leitfähigen oder rein isolierenden Schicht abgeschlossen werden, indem ein voll dielektrisches Material oder ein leitfähiges Material bei niedriger dritter Drehzahl, also ohne die Zentrifugalwirkung zu nutzen, aufgetragen wird. Nach dem Aushärten aller Schichten kann die Trommel 8 durch Demontage eines Lagerbocks 3, 4 aus der Anordnung entnommen werden. Nach weiterer Demontage einer oder beider Trommeldeckel 11, welche in der Trommel 8 insbesondere durch die Trommeldichtungen 12 in Position gehalten werden wie in 2 und 3 schematisch gezeigt, liegt der Zugang zur Entnahme der Membran, also des fertigen Polymeraktuators 3, frei. Industrielle Applikationen zur erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens können automatische Entnahmevorrichtungen zur Entnahme des Polymeraktuators 3 vorsehen. Dabei kann die Entnahme gegebenenfalls zusammen mit dem Einsatz 10 entnommen werden, soweit ein solcher vorhanden ist.
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Es ist mit der offenbarten Vorrichtung unter Verwendung eines Positionssensors am Antriebsmotor 6 möglich, mit Hilfe von gleichermaßen positionsgesteuerten Schlitten 19 auf einer Achse für die Zuführung, nahezu beliebige Strukturen für jede Schicht innerhalb der Trommel 8 aufzubringen. Je nach Prozessgeschwindigkeiten und den entsprechenden Parametern kann der Aushärtungsgrad dieser Strukturen vor dem weiteren Prozessverlauf festgelegt werden. Auch ist es ferner möglich, auf den über eine Durchführungsachse 20 eingebrachte Schlitten 19 bewegliche Dosier-, Sprüh-, Dispenser- oder Druckköpfe 17 einzuführen, mit welchen sehr dünne Schichten der fließfähigen Mischung aufgetragen beziehungsweise Beschichtungen zum Erhalt weiterer dielektrischer oder leitende Schichten während des Prozessverlaufs durchgeführt werden können. Sollen höherviskose Mischungen zur Beschichtung zum Einsatz kommen, welche nicht gegossen oder gesprüht werden können, so ist es bevorzugt, eine Farbrolle zum Aufstreichen der Schicht in die Trommel 8 einzuführen. Somit wird ein gleichmäßiger Auftrag gewährleistet, zusätzlich kann diese Rolle auch so in Kontakt mit der Trommel 8 oder den darunterliegenden Schichten gebracht werden, dass strukturierte Beschichtungsflächen entstehen. Eine fließfähige Mischung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine solche Mischung, welche mit den genannten Gegenständen ins Innere der Trommel 8 aufgebracht werden kann. Erfindungsgemäß kann somit die polymere Mischung in die Trommel 8 eingespritzt, eingegossen oder auf eine innere Wand der Trommel 8 aufgestrichen oder aufgespritzt werden.
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Durch gezielte Beschleunigungs- und Bremszyklen, welche beim Schleudern innerhalb einer Umdrehung auf die Trommel 8 ausgeübt werden, also durch diskontinuierliches Variieren der Drehzahl, ist es möglich, die Dichte von Füllstoffen, soweit solche vorhanden sind, und/oder des Elektrodenmaterials innerhalb der Polymermatrix sowie die Dicke der Polymermatrix zyklisch zu beeinflussen. Auf diese Weise steht eine weitere Möglichkeit zur Strukturierung der Schichten zur Verfügung.
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Werden bei dem Prozess Lösungsmittel verwendet, so ist es erfindungsgemäß bevorzugt, während oder nach dem Einfüllen der Mischung beziehungsweise zu einem späteren Zeitpunkt während des Drehens in Schritt b) über eine zweite Durchführung 5 einen Luftaustausch über eine Gassonde und mit Frischluft, Inertgas oder Reaktivgas eine Absaugsonde durchzuführen. Bevorzugt weisen solche Gasluft- oder Absaugsonden entsprechende Leitstrukturen 21 auf, um das Gas gezielt an die gewünschten Zonen des Materials zu verteilen, wie in 6 schematisch gezeigt.
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Die Zeit zwischen dem Einfüllen der fließfähigen Mischung und dem Beginn der Belüftung, sowie die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck des Spülgases sind hierbei relevante Prozessparameter. Der Lösungsmittelanteil in dem über die Trommel 8 eingeschlossenen Gasvolumen kann somit gesteuert werden, was wiederum den Dampfdruck des Lösungsmittels und damit die Prozessparameter, wie beispielsweise den Beginn der Aushärtung und die Aushärtezeit, beeinflusst. Insbesondere der Beginn der Aushärtung wird durch einen hohen Lösungsmittelanteil verzögert. Um die Zeit für die Sedimentierung, also die Trennung von Elektrodenmaterial und Dielektrikum, beim Schleudern zu verlängern, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, das Ausdampfen des Lösungsmittels und damit die vorzeitige Aushärtung soweit wie möglich zu bremsen. Auch kann in diesem Zuge zur Beeinflussung des Prozesses erfindungsgemäß ein Schutzgas wie beispielsweise CO2 oder eine Atmosphäre mit einem erhöhten Wasserdampfanteil zugeführt, und auch wieder gezielt entfernt werden. Erfindungsgemäß kann die Vorrichtung daher Sonde(n) zur Gaszufuhr oder Gasentfernung aufweisen.
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Aufgrund der nicht unerheblichen Zusatzmasse, welche durch das Lösungsmittel eingebracht wird, ergibt sich ein höheres Massenträgheitsmoment der Trommel 8, was in einem erhöhten Stromverbrauch des Antriebsmotors 6 sichtbar wird. Bei dem Antriebsmotor 6 handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor, insbesondere um einen Elektromotor mit Encoder. Der Stromverbrauch senkt sich, bis das Lösungsmittel nahezu vollständig abgedampft ist. Beobachtet man den Stromverlauf über die Zeit des Schleudervorgangs, so lässt sich über die erste Ableitung des Stromverlaufs darauf schließen, wann der Aushärtevorgang spätestens begonnen hat. Zusammen mit den Angaben des Herstellers über die Tropfzeit des Polymers ist eine Aussage möglich, wann die Trommel 8 zum Tempern oder zur Entnahme der Folie gestoppt werden kann.
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Zur weiteren Beeinflussung der Prozessparameter und der fertigen Folien kann es erfindungsgemäß ferner bevorzugt sein, die Fläche auf der Innenseite der Trommel 8 zu strukturieren. Somit ist es beispielsweise möglich, dass der fertige Polymeraktuator 3 innere und äußere Strukturen aufweist.
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Die Durchgangsöffnungen 5 der offenbarten Vorrichtung lassen sich auch zur Durchführung einer Inspektion oder Messung der Schichtdicke, der Beschaffenheit und Oberfläche sowie der Anzahl der Schichten, verwenden. Zu diesem Zweck ist es möglich, Inspektionsmittel des Standes der Technik, wie Kameras, Stereokameras, Laser- und Ultraschallmessinstrumente ins Innere der Trommel 8 zu führen.
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Die Elastizität des Polymeraktuators 3 erfordert eine sinnvolle Kontaktierung für die Elektroden. Eine Möglichkeit dafür ist die Verwendung der Randzonen, wobei eine Präparierung der Randzonen in einer Art und Weise erfolgen kann, dass vorgefertigte axiale Randmasken für den Trommeldeckel 11 vorgesehen werden. Diese Randmasken können beispielsweise aus konzentrischen Ringen, abwechselnd mit Elektrodenmaterial beziehungsweise Dielektrikum in definierten Abständen der Radien der Ringe bestehen. Bei der Herstellung von sehr dünnen Schichten im Bereich von wenigen zehntel μm kann alternativ der Durchmesser der Trommel 8 an den Randzonen verändert werden. Wird der Durchmesser ausreichend verringert, entsteht eine Aufwölbung, wodurch ein noch flüssiges, unvernetztes Material gehindert wird die Randzone aufzufüllen. Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich, die benötigte Struktur für die Randzonen mittels der Anbringung von elektrostatischen beziehungsweise elektromagnetischen Feldern zu erzeugen.
