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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines linearen elektroaktiven koaxialen Polymeraktors.
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In vielen technischen Anwendungen haben sich heute als Aktoren effektive, kompakte Elektromotoren durchgesetzt. Ein Trend geht dabei zur Miniaturisierung und Steigerung der Leistungsdichte derartiger Aktoren. Allerdings zeichnet sich langsam ein Ende der Umsetzungsfähigkeit weiterer solcher Bemühungen ab, da für diese Technologie unüberwindbare, physikalische Grenzen gesetzt sind. So ist in vielen Anwendungen beispielsweise die Verwendung eines Getriebes unabdingbar, was zwar zum einen den Einsatz des Aktors erst ermöglicht, aber zum anderen die Leistungsdichte erheblich reduziert. Die Verwendung von Elektromotoren bspw. als Direktantrieb beschränkt sich damit auf eine begrenzte Zahl von Anwendungsgebieten, bei welchen das Initialdrehmoment verhältnismäßig gering sein kann.
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Für eine lineare Kinematik existiert zwar eine breite Palette von Aktoren des Standes der Technik, allerdings hat sich hier bereits ein Maximum an Leistungsdichte abgezeichnet. Zudem ist der Aufwand an hierfür notwendiger Elektronik groß. Sollen Eigenschaften von biologischen Muskeln und Sehnen nachgebildet werden, beispielsweise in der Prothetik, so muss ein enormer Aufwand an zusätzlichen elektromotorischen Aktoren betrieben werden, um die gestellte Aufgabe zu lösen,
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Um in Zukunft den Wirkungsgrad von Antriebssystemen, insbesondere von solchen mit linearen Bewegungsmustern, weiterhin steigern zu können, müssen Systeme entwickelt werden, welche die ihnen zugeführte elektrische Energie unmittelbarer und somit effizienter in kinetische Energie umsetzen, als bisher bekannte Systeme.
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Zu diesen Technologien gehört die Gruppe der sogenannten „Elektroaktiven Polymere“, kurz „EAP“, und hier insbesondere die Untergruppe der sogenannten „dielektrischen elektroaktiven Polymere“.
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Die Funktionsweise und der Aufbau dieser EAPs gleichen einfachen Kondensatoren mit der Ausnahme, dass elastische Elektroden und ein elastisches Dielektrikum verwendet wird:
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Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden des EAP erzeugen das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden eine elektrostatische Kraft auf das Dielektrikum, welches dadurch verformt wird. Je nach Polarität der Elektroden wird das Material des Dielektrikums zusammengedrückt oder auseinandergezogen.
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Aufgrund der Eigenschaft des Dielektrikums, weitgehend inkompressibel zu sein, dehnt sich der EAP bei Aktivierung in der X/Y-Ebene aus, während gleichzeitig eine Verringerung der Dicke des Dielektrikums stattfindet. Je höher die angelegte Spannung, desto stärker ist auch der Aktuierungseffekt, wobei die Kräfte auf das Dielektrikum je nach Schichtdicke einige MPa betragen. Der Effekt kann durch die Einstellung der Permittivität und der Schichtdicke des Dielektrikums beeinflusst werden. Dabei erhöht sich der Effekt bei dünneren Schichten.
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Auf Basis dieses Effekts sind über die letzten Jahre Ansätze entstanden, welche die Formänderung in neuartigen Aktuatoren auszunutzen. Dabei weist der Stand der Technik Anordnungen auf, welche bereits in mannigfaltigen Geometrien ausgeführt sind. Die am häufigsten angewandte Struktur bei derartigen EAP Aktoren sind einfache Planarkonfigurationen und einfache, daraus abgeleitete Kombinationen, wie Stapel, Rollen oder dergleichen.
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Die Fertigungsverfahren des Standes der Technik beruhen meistens auf dem Gießen von dielektrischen Elastomerfolien, welche anschließend durch Bestreichen oder Besprühen mit leitfähigen Elektroden versehen werden. Auf diese Weise sind auch mehrschichtige Systeme realisierbar, jedoch erweist sich die Herstellung vielschichtiger Aktuatoren bis heute als schwierig, da die Prozesse in der Regel zu komplex sind bzw. die Funktionalität des produzierten Aktuators stark eingeschränkt ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von axialen Polymeraktoren mit einem hohem Aktuierungseffekt und einem hohen Wirkungsgrad anzugeben. Dabei soll es möglich sein dünne Schichtdicken, nahezu beliebiger Schichtzahlen herzustellen und eine umfangreiche Prozessparametrisierung zur Einstellung des Herstellungsprozesses zu ermöglichen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines linearen elektroaktiven koaxialen Polymeraktors, wobei das Verfahren abhängig von Prozessparametern gesteuert wird, der Polymeraktor einen Kernstrang mit einer Längsachse LA aufweist, der Kernstrang aus einem elastomeren Material M0 besteht, auf den Kernstrang koaxial zur Längsachse LA eine Anzahl K Materialschichten MSk jeweils aus einem elastomeren Material Mk aufgebracht werden, mit k = 1, 2, ..., K, und K ≥ 2, wobei gilt: M0, Mk ∈ {M1, M2}, mit M1: eine Elektrodenschicht bildendes elastomeres, elektrisch leitendes erstes Material, und M2: eine Dielektrikumschicht bildendes elastomeres, elektrisch isolierendes zweites Material, und wobei das Material Mk jeder aufgebrachten Materialschicht MSk sich von dem unmittelbar darunter liegenden Material Mk-1 unterscheidet, so dass sich bei dem Polymeraktor beginnend mit dem Kernstrang aus dem Material Mk=0 die Materialien M1 und M2 abwechseln, der Kernstrang, sofern er aus dem Material M1 besteht: Mk=0 = M1, und eine oder mehrere der aus dem Material M1 bestehenden bereits zumindest teilweise aufgebrachten Materialschichten MSk während der Herstellung des Polymeraktors elektrisch kontaktiert und mit einer elektrischen Messvorrichtung verbunden ist/sind, wobei die Messvorrichtung eine Kapazität C eines zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschichtpaares des Polymeraktors und/oder eines Elektrodenpaares bestehend aus einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors und einer externen Elektrode, und/oder einen elektrischen Widerstand R einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors ermittelt, und zumindest einer der Prozessparameter des Herstellungsprozesses abhängig von der ermittelten Kapazität C und/oder von dem ermittelten Widerstand R gesteuert/geregelt wird.
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Der Begriff „Prozessparameter“ wird vorliegend breit verstanden. Ihm unterfallen grundsätzlich alle Parameter, die das Verfahren zur Herstellung des linearen elektroaktiven koaxialen Polymeraktores beeinflussen können. Vorteilhaft ist der zumindest eine Prozessparameter aus folgender Liste gewählt:
- - Prozessgeschwindigkeit,
- - Massenstrom des Materials Mk beim Aufbringen des Materials Mk,
- - Volumenstrom des Materials Mk beim Aufbringen des Materials Mk,
- - Heizleistung zur Erwärmung einzelner bereitgestellter Materialkomponenten M1/M2, und/oder zur Trocknung/Aushärtung aufgebrachter Materialschichten MSk,
- - Kühlleitung zur Abkühlung einzelner bereitgestellter Materialkomponenten M1/M2, und/oder zur Trocknung/Aushärtung aufgebrachter Materialschichten MSk,
- - Lösungsmittelgehalt in den aufzutragenden Materialien M1 und/oder M2,
- - Extrusionsdruck in einem Extruder zur Herstellung des Kernstrangs,
- - Transportgeschwindigkeit des Kernstrangs/Polmeraktors,
- - Luftdruck und/oder Volumenstrom für eine Zwangskonvektion und/oder ein Aufsprühen einer Materialschicht M1/M2 auf den Polymeraktor,
- - Start/Ende eines Befüllens/Entleerens von Bädern, die flüssige Materialien M1/M2 enthalten,
- - Einstellung des Füllstoffgehalts der aufzutragenden Materialien M1/M2,
- - Lichtintensität zur Aushärtung aufgetragener Materialschichten MSk.
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Diese Liste ist nicht abschließend und stellt nur eine Auswahl von möglichen Prozessparametern dar. Insbesondere umfasst der Begriff auch Parameter, die eine Bereitstellung bzw. Materialzusammensetzung der Materialien M1 und M2 steuern.
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Die Materialen M1 und M2 weisen vorteilhaft einen identischen Polymertyp auf, bspw. Silikon. Dies ermöglicht insbesondere eine gute Haftung der aufgebrachten Materialschichten MSk, sodass die Struktur des Polymeraktors haltbarer und stabiler als im Stand der Technik ist.
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Der Kernstrang wird vorteilhaft mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt und vor dem Aufbringen der ersten Materialschichten MSk gehärtet.
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Der Kernstrang des Polymeraktors kann je nach Ausführungsform aus dem ersten Material M1 oder dem zweiten Material M2 bestehen. Besteht der Kernstrang aus dem ersten Material M1 (M0 = M1) und bildet mithin eine Elektrode, so wird erfindungsgemäß als erste Materialschicht MSk=1 eine Schicht aus dem zweiten Material M2 aufgebracht. Werden weitere Materialschichten MSk aufgebracht, so wechseln sich die Materialien M1 und M2 ab, d.h. MSk=2 -> M2, MSk=3 -> M1, MSk=4 -> M2, usw.
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Besteht der Kernstrang dagegen aus dem zweiten Material M2 (M0 = M2) und bildet mithin ein Dielektrikum (Isolationsschicht, elektrisch nicht leitend), so wird erfindungsgemäß als erste Materialschicht MSk=1 eine Schicht aus dem ersten Material M1 aufgebracht. Werden weitere Materialschichten MSk aufgebracht, so wechseln sich die Materialien M1 und M2 ab, d.h. MSk=2 -> M1, MSk=3 -> M2, MSk=4 -> M1, usw.
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Der Kernstrang, sofern er aus dem ersten Material M1 besteht, und/oder eine oder mehrere der aus dem Material M1 bestehenden bereits zumindest teilweise aufgebrachten Materialschichten MSk werden erfindungsgemäß während der Herstellung des Polymeraktors elektrisch kontaktiert und mit einer elektrischen Messvorrichtung verbunden. Die Messvorrichtung ist dazu eingerichtet, eine Kapazität C eines zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschichtpaares des Polymeraktors und/oder eines Elektrodenpaares bestehend aus einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors und einer externen Elektrode, und/oder einen elektrischen Widerstand R einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors zu ermitteln. Die Messvorrichtung verfügt hierzu vorteilhaft über einen entsprechenden Messschaltkreis, der automatisiert die Kapazität C und/oder den Widerstand R ermittelt und das jeweilige Messergebnis bereitstellt. Die Messvorrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet und ausgeführt, mehrere Kapazitäten Ck und oder mehrere Widerstände Rr zu ermitteln und bereitzustellen. Die mehreren Kapazitäten Ck beziehen sich vorteilhaft auf auf die Kapazitäten unterschiedlicher Elektrodenschichtpaare am Polymeraktor. Die unterschiedlichen Widerstände Rr beziehen sich vorteilhaft auf Widerstände unterschiedlicher Elektrodenschichten.
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Die Messvorrichtung umfasst weiterhin vorteilhaft eine Einheit, die basierend auf der/den ermittelten Kapazitäten C/Ck und/oder dem/den ermittelten Widerständen R/ Rr einen oder mehrere Prozessparameter des Herstellungsprozesses ermittelt und bereitstellt. Hierzu verfügt die Einheit vorteilhaft über einen bzw. mehrere vorgegebene Zusammenhänge zwischen ermittelten Kapazitäten C/Ck und/oder ermittelten Widerständen R/ Rr und entsprechenden davon abhängigen Prozessparametern. Diese Zusammenhänge sind vorzugsweise als Funktionen und/oder als sogenannte Look-Up Tables bereitgestellt.
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Die Messvorrichtung umfasst weiterhin vorteilhaft eine Prozesssteuereinheit, die den Herstellungsprozess des Polymeraktors abhängig von den ermittelten, von C/Ck und/oder R/ Rr abhängigen Prozessparametern steuert. Die Prozesssteuereinheit weist vorteilhaft entsprechende Regler auf, die dazu ausgeführt und eingerichtet sind, diese Prozessparameter entsprechend zu regeln.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es grundsätzlich möglich, einen Polymeraktor mit einer nahezu beliebigen Anzahl von Materialschichten MSk herzustellen. Durch die von von C/Ck und/oder R/ Rr abhängigen Prozessparameter wird der Herstellungsprozess des Polymerfaktors präziser Steuer bzw. regelbar, ermöglicht dadurch eine hohe Fertigungsqualität und eine Verringerung der hierfür erforderlichen Herstellkosten.
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Dicke, Länge, Schichtdicken, Elastizitäts-Module, etc. des herzustellen Polymeraktors lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren in situ einstellen, sodass eine Vielzahl von Auslegungsmöglichkeiten des herzustellenden Polymeraktors einfach und effektiv realisierbar ist.
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Eine Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die externe Elektrode durch eine Umlenkrolle, auf der der Polymeraktor während der Herstellung geführt wird, oder durch ein Bad aus leitfähigem Material, durch welches der Polymeraktor während der Herstellung geführt wird gebildet wird.
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Eine Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die externe Elektrode durch ein elektrisch leitendes Element gebildet wird, das während der Herstellung kontaktlos, in geringem Abstand zum Polymeraktor angeordnet ist und zur Ermittlung der Kapazität C verwendet wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Aufbringen der Materialschichten MSk auf den Kernstrang mittels eines Tauchverfahrens oder eines Sprühverfahrens erfolgt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die letzte aufzubringende Materialschichten MSk des Polymerfaktors aus dem Material M2 besteht.
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Das Material M1 enthält vorteilhaft leitfähige Einlagerungen, wie beispielsweise Ruß, Metallpartikel, leitfähige Kunststoffe, Carbon-Nanotubes, Carbonfasern. Vorteilhaft ist der Massenanteil oder der Volumenanteil dieser leitfähigen Einlagerungen ein Parameter des Herstellungsverfahrens, und wird als solcher abhängig von der ermittelten Kapazität oder den ermittelten Widerstand eingestellt.
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Das Material M2 enthält vorteilhaft Stoffe hoher Permittivität, wie beispielsweise Bariumtitanat BaTiO3. Vorteilhaft ist der Massenanteil und/oder der Volumenanteil dieser dieser Stoffe hoher Permittivität ein Parameter des Herstellungsverfahrens, und wird als solcher abhängig von der ermittelten Kapazität oder den ermittelten Widerstand eingestellt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Aufbringen der Materialschichten MSk in Abhängigkeit von der ermittelten Kapazität C und/oder in Abhängigkeit von dem ermittelten Widerstand R derart gesteuert wird, dass die Materialschichten MSk jeweils eine Schichtdicke von weniger als 200 µm oder von weniger als 100 µm aufweisen. Die Toleranz der Schichtdicke liegt dabei vorteilhaft jeweils bei < ± 5 µm oder < ± 2 µm. Auf diese Weise kann bei dem Polymeraktor ein hoher Aktuierungseffekt bei geringer Aktivierungsspannung erzielt werden.
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Nach dem Aufbringen jeder einzelnen der Materialschichten MSk erfolgt vorteilhaft ein Härten/Vulkanisieren der jeweils aufgebrachten Materialschicht MSk. Vorteilhaft sind die aufgebrachten Materialien M1 und M2 Elastomere, welche nach einem Härten/ Vulkanisieren jeweils eine Shore-A-Härte im Bereich 0 - 90 aufweisen.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens werden die aufgebrachten Elektrodenschichten (Material M1) gleicher Polarität während der Herstellung elektrisch leitend miteinander verbunden, insbesondere an einem jeweiligen Ende des Polymeraktors.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines linearen elektroaktiven koaxialen Polymeraktors, wobei die Herstellung des Polymeraktors abhängig von Prozessparametern von einer Prozesssteuereinheit gesteuert wird, der Polymeraktor einen Kernstrang mit einer Längsachse LA aufweist und der Kernstrang aus einem elastomeren Material M0 besteht, umfassend: ein mit der Prozesssteuereinheit verbundenes System, das dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf den bereitgestellten Kernstrang koaxial zur Längsachse LA eine Anzahl K Materialschichten MSk jeweils aus einem elastomeren Material Mk aufzubringen, mit k = 1, 2, ..., K, und K ≥ 2, wobei gilt: M0, Mk ∈ {M1, M2}, mit M1: eine Elektrodenschicht bildendes elastomeres, elektrisch leitendes erstes Material, und M2: eine Dielektrikumschicht bildendes elastomeres, elektrisch isolierendes zweites Material, und wobei das Material Mk jeder aufgebrachten Materialschicht MSk sich von dem unmittelbar darunter liegenden Material Mk-1 unterscheidet, so dass der Polymeraktor beginnend mit dem Kernstrang aus dem Material Mk=0 abwechselnd das Material M1 und M2 aufweist, wobei das System derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass der Kernstrang, sofern er aus dem Material M1 besteht, und eine oder mehrere der aus dem Material M1 bestehenden bereits zumindest teilweise aufgebrachten Materialschichten MSk während der Herstellung des Polymeraktors elektrisch kontaktiert und mit einer elektrischen Messvorrichtung verbunden ist/sind, wobei die Messvorrichtung derart ausgeführt und eingerichtet ist eine Kapazität C eines zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschichtpaares des Polymeraktors und/oder eines Elektrodenpaares bestehend aus einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors und einer externen Elektrode, und/oder einen elektrischen Widerstand R einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors zu ermitteln, und die Prozesssteuereinheit zumindest einen Prozessparameter abhängig von der ermittelten Kapazität C und/oder von dem ermittelten Widerstand R steuert/regelt.
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Die Prozesssteuereinheit steuert weiterhin vorteilhaft das Bereitstellen oder das Herstellen und Bereitstellen des Kernstrangs und/oder das Bereitstellen oder das Herstellen und Bereitstellen der Materialien M1 und/oder M2.
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Die von der Prozesssteuereinheit gesteuerten/geregelten Prozessparameter umfassen grundsätzlich alle vorgebbaren Parameter, die den Herstellungsprozess des Polymeraktors im Einzelnen definieren, beginnend mit der Herstellung bzw. Bereitstellung des Kernstrangs sowie der Materialien M1/M2, über das Aufbringen der Materialien M1/M2 auf den Kernstrang, sowie sämtliche weiteren parametrisierbaren Herstellungsschritte.
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Das System zum Aufbringen der Materialschichten MSk auf den Kernstrang nutzt vorteilhaft ein Tauchverfahren oder ein Sprühverfahren. Vorteilhaft ist das System zum Aufbringen der Materialschichten MSk in Abhängigkeit von der ermittelten Kapazität C und/oder in Abhängigkeit von dem ermittelten Widerstand R den Herstellprozess derart ausgeführt und eingerichtet, dass es die Materialschichten MSk jeweils mit einer Schichtdicke von weniger als 200 µm oder von weniger als 100 µm herstellt.
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Vorteilhaft ist die Vorrichtung derart ausgeführt und eingerichtet, dass der Kernstrang mittels eines Extrusionsverfahrens oder eines Strang-Guss-Verfahrens hergestellt und vor dem Aufbringen der ersten Materialschichten MSk gehärtet wird.
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Weiterhin weist das System zur Herstellung des Kernstrangs einen Extruder oder eine Schnittstelle auf, an dem/der ein vorgefertigter Kernstrang bereitgestellt wird.
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Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der vorstehend zu dem vorgeschlagenen Verfahren gemachten Ausführungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen - Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 ein schematisierter Verfahrensablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens,
- 2 ein schematisierter Aufbau einer vorgeschlagenen Vorrichtung,
- 3a, 3b Aufbau eines Polymeraktors,
- 4 Längs- und Querschnitt eines Polymeraktors mit kontaktierten Elektrodenschichten
- 5 schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Polymeraktors,
- 6 elektrische Kontaktierung zur Messung einer Kapazität C oder eines Widerstandes R.
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1 zeigt ein schematisierter Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines linearen elektroaktiven koaxialen Polymeraktors, wobei das Verfahren abhängig von Prozessparametern gesteuert/geregelt wird, mit folgenden Schritten. In einem Schritt 101 erfolgt ein Bereitstellen eines Kernstrangs des Polymeraktors, wobei der Kernstrang eine Längsachse LA aufweist und der Kernstrang aus einem elastomeren Material M0 besteht. In einem Schritt 102 erfolgt auf den Kernstrang koaxial zur Längsachse LA ein Aufbringen einer Anzahl K Materialschichten MSk jeweils aus einem elastomeren Material Mk, mit k = 1, 2, ..., K, und K ≥ 2, wobei gilt: M0, Mk ∈ {M1, M2}, mit M1: eine Elektrodenschicht bildendes elastomeres, elektrisch leitendes erstes Material, und M2: eine Dielektrikumschicht bildendes elastomeres, elektrisch isolierendes zweites Material, und wobei das Material Mk jeder aufgebrachten Materialschicht MSk sich von dem unmittelbar darunter liegenden Material Mk-1 unterscheidet, so dass sich bei dem Polymeraktor beginnend mit dem Kernstrang aus dem Material Mk=0 die Materialien M1 und M2 abwechseln. In einem Schritt 103a erfolgt ein elektrisches Kontaktieren des Kernstrangs, sofern er aus dem Material M1 besteht: Mk=0 = M1, und in Schritt 103b ein Kontaktieren einer oder mehrerer der aus dem Material M1 bestehenden bereits zumindest teilweise aufgebrachten Materialschichten MSk während der Herstellung des Polymeraktors und in Schritt 104 ein Verbinden mit einer elektrischen Messvorrichtung, wobei die Messvorrichtung eine Kapazität C eines zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschichtpaares des Polymeraktors und/oder eines Elektrodenpaares bestehend aus einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors und einer externen Elektrode, und/oder einen elektrischen Widerstand R einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors ermittelt. In Schritt 105 erfolgt ein Steuern/Regeln zumindest eines der Prozessparameter abhängig von der ermittelten Kapazität C und/oder von dem ermittelten Widerstand R.
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2 zeigt einen schematisierten Aufbau einer vorgeschlagenen Vorrichtung zur Herstellung eines linearen elektroaktiven koaxialen Polymeraktors, wobei die Herstellung des Polymeraktors abhängig von Prozessparametern von einer Prozesssteuereinheit 201 gesteuert wird, der Polymeraktor einen Kernstrang mit einer Längsachse LA aufweist und der Kernstrang aus einem elastomeren Material M0 besteht, umfassend: ein mit der Prozesssteuereinheit 201 verbundenes System 202, das dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf den bereitgestellten Kernstrang koaxial zur Längsachse LA eine Anzahl K Materialschichten MSk jeweils aus einem elastomeren Material Mk aufzubringen, mit k = 1, 2, ..., K, und K ≥ 2, wobei gilt: M0, Mk ∈ {M1, M2}, mit M1: eine Elektrodenschicht bildendes elastomeres, elektrisch leitendes erstes Material, und M2: eine Dielektrikumschicht bildendes elastomeres, elektrisch isolierendes zweites Material, und wobei das Material Mk jeder aufgebrachten Materialschicht MSk sich von dem unmittelbar darunter liegenden Material Mk-1 unterscheidet, so dass der Polymeraktor beginnend mit dem Kernstrang aus dem Material Mk=0 abwechselnd das Material M1 und M2 aufweist, wobei das System 202 derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass der Kernstrang, sofern er aus dem Material M1 besteht, und eine oder mehrere der aus dem Material M1 bestehenden bereits zumindest teilweise aufgebrachten Materialschichten MSk während der Herstellung des Polymeraktors elektrisch kontaktiert und mit einer elektrischen Messvorrichtung 203 verbunden ist/sind, wobei die Messvorrichtung 203 derart ausgeführt und eingerichtet ist eine Kapazität C eines zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschichtpaares des Polymeraktors und/oder eines Elektrodenpaares bestehend aus einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors und einer externen Elektrode, und/oder einen elektrischen Widerstand R einer zumindest teilweise aufgebrachten Elektrodenschicht des Polymeraktors zu ermitteln, und die Prozesssteuereinheit 201 zumindest einen der Prozessparameter abhängig von der ermittelten Kapazität C und/oder von dem ermittelten Widerstand R steuert/regelt.
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Die Grundlage der nachfolgend beschriebenen weiteren Ausführungsbeispiele bildet die Herstellung eines strangförmigen Polymeraktors, bei dem die Anordnung der Elektroden und der Dielektrika koaxial alternierend ausgeprägt ist. Der Kernstrang wird dabei in Abhängigkeit der Produktionsschritte entweder durch eine Elektrode (Material M1) oder ein Dielektrikum (Material M2) gebildet. Weiterhin weist der Polymeraktor insgesamt mindestens zwei Elektrodenschichten (M1) und eine dazu passende Anzahl von dielektrischen Schichten (M2) auf. Vorteilhaft weist der fertiggestellte Polymeraktor als letzte (äußerere) Materialschicht MSk eine Schicht aus dem zweiten Material M2 auf, um versehentliche Berührungen mit einer Elektrode zu verhindern.
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In 3a ist beispielhaft ein Polymeraktor gezeigt, der einen Kernstrang aus einem elektrische leitenden Material M1 mit darauf aufgebrachten drei weiteren Materialschichten der Materialabfolge M2, M1, M2 aufweist. In 3b ist beispielhaft ein Polymeraktor gezeigt, der einen Kernstrang aus einem elektrisch isolierenden dieelektrischen Material M2 mit darauf aufgebrachten drei weiteren Materialschichten der Materialabfolge M1, M2, M1 aufweist.
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Die Elektroden bestehend aus leitfähigen Elastomeren. Die Dielektrika bestehen aus dielektrischen Elastomeren. Die Elastomere sind insbesondere Polymere. Eine bevorzugte Ausbildungsform weist Elektroden und Dielektrika aus dem gleichen Polymertyp, beispielsweise Silikon auf, wobei die Leitfähigkeit der Elektroden durch Einlagerung von leitfähigen Stoffen, wie Ruß- oder Metallpartikel, leitfähige Kunststoffe, Carbon-Nanotubes oder Carbonfasern hergestellt wird. Die Anreicherung dieser Partikel und die Einstellung der Leitfähigkeit sowie der Elastizität erfolgt über Misch- und Dispergierverfahren aus dem Stand der Technik. Anreicherung dieser Partikel wird durch zumindest einem Prozessparameter definiert. In einer Ausführungsform wird dieser Prozessparameter abhängig von dem ermittelten Widerstand R oder der ermittelten Kapazität C gesteuert/eingestellt/geregelt.
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Die Festlegung, ob der Kernstrang leitfähige oder dielektrische Eigenschaften aufweist, wird über eine entsprechende Materialzuführung beim Produktionsprozess gesteuert.
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5 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Polymeraktors. Ist der Kernstrang als Elektrode (Material M1) ausgebildet, so wird als Ausgangsmaterial ein leitfähiges Polymer verwendet, welches bspw. durch Gießen, Extrusion oder Dispensierung in einer entsprechenden Einheit A zu einem dünnen Strang geformt wird. Alternativ wird der Kernstrang mittels einer Rolle B bereitgestellt. Es ist bevorzugt, solche Elastomere zu verwenden, welche in ihrer Ausgangsform eine niedrige Viskosität aufweisen und welche sich nicht thermoplastisch verhalten. Dies bedeutet, dass das Polymer vor der Verarbeitung nicht erhitzt werden muss und sich der Prozess geeignet einstellen lässt, so dass sehr dünne Grundstrukturen erzielt werden können. Es ist bevorzugt, dass der Kernstrang eine Dicke von 1 bis 100 µm aufweist. Die darauffolgende Materialschicht MSk=1 ist dann eine dielektrische Polymerschicht.
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Im weiteren Prozessverlauf wird der bereitgestellte Kernstrang über antreibbare Rollen F1, F2. F3 zu einer Rolle K geführt und dort aufgerollt. Dabei wird der Kernstrang durch die Materialbäder G und I geführt. Die Materialbäder G und I enthalten die aufzubringenden Materialien M1 bzw. M2 in flüssiger Form. Die Materialien M1 /M2 werden in dieser Verfahrensvariante also mittels eines Tauchverfahrens aufgebracht. Die Antriebe der Rollen A, B, F1, F2, F3 und K sind mit der Prozesssteuereinheit (nicht dargestellt) zur Prozessregelung verbunden. Die dargestellte Vorrichtung umfasst weiterhin ein Mittel J zum Aufsprühen von Material, Mittel C zur Heizung bzw. zur Belichtung, um ein Aushärten/Vulkanisieren zu beschleunigen, sowie ein Mittel H, mit dem ein Luftstrom zugeführt werden kann.
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Ist der Kernstrang als Dielektrikum (Material M2) ausgebildet, so wird nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren vorgegangen, wobei als Ausgangsmaterial ein dielektrisches Polymer verwendet wird. Es ist in diesem Fall bevorzugt, dem Polymer Stoffe mit einer hohen Permittivität, beispielsweise Bariumtitanat (BaTi03) zuzusetzen, um die Permittivität des Grundelastomers zu erhöhen. Die darauffolgende Materialschicht MSk=1 ist dann eine elektrische Polymerschicht, die eine Elektrode bildet.
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Es ist bevorzugt, für die leitfähigen und die dielektrischen Materialschichten solche Elastomere zu wählen, welche nach dem Vulkanisieren ein hohes elastisches Verhalten aufweisen, um den Wirkungsgrad des produzierten Aktuators zu erhöhen. Dazu ist es weiterhin bevorzugt, dass das jeweilige Elastomer ein geringes viskoses Verhalten aufweist. Um vorgegebene gewünschte physikalischen Eigenschaften zu erzielen, können entsprechende Variationen an der Dicke und Länge (= Prozessparameter) der aufgebrachten Materialschichten MSk vorgenommen werden. Derartige Variationen werden erfindungsgemäß abhängig von der ermittelten Kapazität C oder dem ermittelten Widerstand R eingestellt.
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Um die elektrische Anbindung an alle Elektrodenschichten zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass Elektrodenschichten gleicher Polarität sich an jeweils einem Ende des Aktorstranges überlagen und leitend miteinander verbunden sind. Zu diesem Zweck ist die innerste Elektrode an einem Ende des Polymeraktors über die dielektrischen Materialschichten hinaus verlängert. Elektroden der gleichen Polarität wie die innerste Elektrode werden beim Beschichten ebenso an dem jeweiligen Ende über die jeweils darunter angeordnete Dielektrikumschicht verlängert, bis eine Überdeckung und eine Kontaktierung mit der jeweils darunterliegenden Elektrodenschicht gleicher Polarität bzw. mit der innersten Elektrode möglich ist und erfolgt. Die innerste Elektrodenschicht mit der jeweils anderen Polarität ist über das andere Ende des Polymeraktors hinaus verlängert und mit den entsprechenden Elektroden gleicher Polarität verbunden.
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Vorteilhaft wird der Kernstrang nach seiner Herstellung/Bereitstellung mit einer Materialschicht MSk=1 des Materials des anderen Typs (also entsprechend leitfähig (M1) oder isolierend (M2)) überzogen. Dabei wird das freie Ende des Kernstrangs mit einem Draht, vorzugsweise aus Gold oder einem anderen leitfähigen Material mit geringem Oberflächenwiderstand, verbunden und dieser dann mit Hilfe dieses Drahtes durch eine Beschichtungsanlage gezogen, welche bevorzugt aus Bädern mit dielektrischem Material (M2) und/oder leitfähigem Material (M1) gefüllt sind oder aus Sprüheinrichtungen bestehen, um die nächste Materialschicht auf den bereits vorhandenen Polymeraktor aufzutragen.
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Die Verwendung eines Drahtes oder eines Kabels, welche leitfähig mit den Elektroden des bereits hergestellten Polymeraktors verbunden ist, sowie auch die Verwendung leitfähiger Rollen F zur Kontaktierung des Polymeraktors ermöglicht es, die Länge des herzustellenden Polymeraktors während der Herstellung durch Messen des Widerstandes entlang einer oder mehrerer Elektrodenschichten in situ zu messen und somit die Prozessgeschwindigkeit bzw. die aufgetragene Materialmenge (M1, M2) bei Sprühvorgängen über den Widerstand der leitfähigen Schicht zu regeln.
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Ist der Kernstrang nicht leitfähig (d.h. aus dem zweiten Material M2 bestehend), so kommt das vorstehend beschriebene Verfahren beim oder nach dem Auftragen der ersten leitfähigen Materialschicht MSk zu tragen. Da die aufzubringende flüssige Polymermasse (M1) bereits leitfähige Eigenschaften aufweist, kann die Länge bzw. die Vortriebsgeschwindigkeit des Polymeraktors zwischen einem leitfähigen Bad mit flüssigem Material M1 oder dem Spritz- oder Extrusionsapparat gemessen werden. In den Bädern G, I können Tauchelektroden auf das leitfähige Polymer (M1) kontaktieren. Sind bereits mindestens zwei leitfähige Materialschichten (unterschiedlicher Polarität) vorhanden, so kann auch die Kapazität C zwischen diesen beiden Elektrodenschichten gemessen werden, um die Länge bzw. die Vortriebsgeschwindigkeit als Prozessparameter zu ermitteln und den Prozess entsprechend abhängig von diesen Prozessparametern zu steuern/regeln. Auch lässt sich mit Hilfe der Kapazität C über geeignete Impedanzmessverfahren die Schichtdicke der leitfähigen Materialschicht, welche gerade aufgetragen wird, in situ als Prozessparameter messen und somit auch steuern/regeln. Dadurch wird eine hohe Prozessgenauigkeit und insbesondere eine hochgenaue Auftragung von Materialschichten mit vorgegebener Schichtdicke ermöglicht.
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Beim Auftragen einer isolierenden Materialschicht (M2) kann eine externe Elektrode nahe an den soeben beschichteten Aktor herangeführt werden und die Schichtdicke der neuen Materialschicht mithilfe der Kapazität C zwischen der herangeführten externen Elektrode und der zuvor aufgebrachten leitfähigen Elektrodenschicht gemessen und geregelt werden. Die Genauigkeit der Messungen und die Qualität der Prozessregelung werden erhöht, wenn die im Prozessverlauf verwendeten Rollen A, B, F1, F2, F3, K mit Encodern zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ausgestattet werden. Ferner kann eine mit der Prozesssteuereinheit verbundene bspw. zwischen der Rolle F3 und K angeordnete hochauflösende Kamera oder eine Lichtschranke zur optischen Überprüfung des vorbeigeführten Polymeraktorstranges die Dicke der zuletzt aufgetragenen Materialschicht verwendet werden, um die gemessenen Werte zu kalibrieren bzw. deren Genauigkeit zu erhöhen.
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Vorteilhaft wird der Kernstrang, insbesondere bei einkomponentigen Polymeren, nach dessen Rohherstellung und vor dessen Bereitstellung für die Aufbringung der ersten Materialschicht MSk=1 zunächst ausgehärtet. Hierzu kann der Kernstrang eine Heizzone C durchlaufen, um den Vorgang der Aushärtung zu beschleunigen. Die Heizzone C kann durch eine geeignete Heizwendel, eine Lampe, eine konvektive Belüftung, einen Laser oder ähnliches abgebildet werden. Vorteilhaft ist eine entsprechende Heizzone C jedem Tauchbad nachgelagert und wird von dem hergestellten Polymeraktorstrang durchlaufen. Die eingestrahlte Wärmeleistung /Lichtleistung/Lichtfrequenz stellen Prozessparameter im Sinne der Erfindung dar und hängen von den Vulkanisations/Härtungseigenschaften des Polymers ab. Zusätzlich kann eine Belüftung mit einem definierten Feuchtigkeits- oder Gasgehalt zur Beeinflussung der Vulkanisation/Härtung von geeigneten Polymeren verwendet werden. Bei UV-aushärtenden Polymeren können die Aushärtungszeit und der Grad der Vulkanisation/Härtung durch die Bestrahlung mit einer UV-Lampe erfolgen, beide Parameter stelle ebenfalls Prozessparameter im Sinne der Erfindung dar.
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Bei mehrkomponentigen Polymeren sieht eine weitere bevorzugte Ausführung vor, den Kernstrang nicht vollständig zu vulkanisieren/härten, damit eine bessere Haftung der darauffolgenden Materialschichten gewährleistet ist. Der Wärmeeintrag fällt dann entsprechend geringer bzw. die Durchlaufzeit durch die Heiz- oder Belichtungszone kürzer aus.
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Ferner sieht es eine weitere, bevorzugte Ausführungsform bei mehrkomponentigen Elastomeren vor, die Basis- und die Aktivierungskomponente in unterschiedlichen Bädern G, I oder Sprühzonen J sequentiell aufzutragen. So lassen sich extrem dünne Schichten mit einer gleichmäßigen Schichtverteilung erzeugen.
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Unabhängig davon sieht eine weitere, bevorzugte Variante vor, den Kernstrang zunächst unabhängig vom weiteren Produktionsverlauf vollständig vulkanisiert/gehärtet herzustellen und je nach Längenbedarf auf eine Rolle B zu wickeln und bereitzustellen. Für den Durchlauf durch die weiteren Produktionsphasen kann der Kernstrang dann direkt von dieser Rolle B abgewickelt werden.
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Im weiteren Prozessverlauf wird der bereitgestellte Kernstrang durch ein Bad G oder eine Sprühzone J mit dem Material M1/M2 der aufzubringenden nächsten Materialschicht MSk geführt, wobei das entsprechende Material in flüssiger Form vorliegt/aufgebracht wird. Der in das Bad G eingetauchte Kernstrang wird nach einer bestimmten Eintauchtiefe und/oder Verweildauer im Bad G über eine Rolle F1 oder eine andere geeignete Umlenkvorrichtung so umgelenkt, dass seine Vortriebsrichtung wieder aus dem Bad G herausführt. Der mit der neuen Materialschicht beschichtete Polymeraktor wird nun durch eine beheizte Zone C geführt, um den Aushärtungsprozess zu beschleunigen. Die angestrebte Schichtdicke der jeweiligen aufgebrachten Materialschicht MSk wird vorteilhaft durch die Viskosität und/oder mit Hilfe mechanischer Hilfen, wie einer der Zone C vorgeschalteten Blenden E und/oder Druckluftgebläsen H eingestellt. Die Viskosität (als Prozessparameter) des aufzubringenden Materials M1/M2 wird nach dem Stand der Technik beispielsweise über den Anteil eines Lösungsmittels festgelegt.
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Wird im Herstellungsverfahren eine höhere Viskosität eines Materials M1/M2 benötigt, so wird vorteilhaft eine Blende E verwendet, durch welche der frisch beschichtete Polymeraktor hindurchgezogen und somit überschüssige Beschichtungsmasse auf das spezifizierte Maß entfernt wird. Die überschüssige Masse wird dann dem Bad G bzw. dem Sprühapparat zurückgeführt.
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Je nach gewünschter Zahl von aufzubringenden Materialschichten MSk kann dieser Vorgang mit abwechselnden Bädern oder Sprühaufträgen beliebig oft wiederholt werden. Dabei ist es möglich, die einzelnen Materialschichten MSk des Polymeraktors durch sequenziell aufgestellte Stationen zu realisieren bzw. zur Aushärtung stets nur immer die nächste Schicht des nächsten Typs aufzutragen und die Schicht dann nach bereits beschriebenen Verfahren zu vulkanisieren/härten. Eine entsprechende Kombination verschiedener Auftragungsarten der Materialien M1/M2, so zum Beispiel Tauchen für das Dielektrikum (M2) und Sprühen für das Elektrodenmaterial (M1), ist je nach verwendeten Polymeren, zum Beispiel Silikon, bevorzugt. Weiterhin ist es bevorzugt, eine große Anzahl von Materialschichten MSk zu erzeugen, um die aktive Oberfläche des Polymeraktors zu maximieren.
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Grundsätzlich sieht das vorgeschlagene Verfahren die Möglichkeit vor, nach einem Prozessdurchlauf (Aufbringen einer Materialschicht MSk) die Rolle K an die Stelle der Rolle B zu setzen und den Herstellprozess, wie beschrieben, zum Aufbringen weiterer Materialschichten MSk zu wiederholen. Alternativ ist es bevorzugt, die Bäderanordnung bzw. den Materialinhalt der Tauchbäder G, I nach einem Prozessdurchlauf anzupassen (bspw. auszutauchen) und die Rolle K in die andere Richtung wieder abzuspulen.
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Der Herstellungsprozess des Polymeraktors weist zu Beginn und zum Ende bevorzugt eine Phase auf, welche es ermöglicht, dass sich Elektrodenschichten oder entsprechende Dielektrikumsschichten überdecken und vor allem Elektrodenschichten gleicher Polarität leitend miteinander verbunden werden. Hierzu wird vorgeschlagen, dass ein Prozessdurchlauf (Aufbringen einer Materialschicht MSk) stets mit dem Anguss der gleichen Elektrodenpolarität beginnt oder endet bzw. das aufgebrachte zweite Material M2 entsprechend ein freies Ende des Kernstrangs überdeckt, jedoch das andere freie Ende entsprechend vom zweiten Material M2 frei bleibt.
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Hat der Polymeraktor ein Dielektrikum M2 als Kernstrang, so kann der Anfang des Kernstrangs im weiteren Prozessverlauf direkt mit dem Elektrodenmaterial M1 beschichtet werden, allerdings ist es in diesem Fall bevorzugt, dass der bestehende Kernstrang dann nicht komplett bis zum freien Ende beschichtet wird, sondern zur Realisierung eines Isolationsabstandes ein Stück am freien Ende des Kernstrangs unbeschichtet bleibt. Die darauffolgende Isolationsschicht beginnt dann bevorzugt nicht sofort am freien Ende des Polymeraktors, sondern erst nach einem gewissen Abstand vom freien Ende.
Besteht der Kernstrang aus einem leitfähigem Polymer M1, so ist es bevorzugt, entweder den Anfang oder das Ende mit etwas Abstand zur darauffolgenden dielektrischen Schicht M2 zu versehen, um den Zusammenschluss von Elektroden gleicher Polarität möglich ist.
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Vorteilhaft erfolgt das Aufbringen der Materialien M1/ M2 durch ein Sprühverfahren. Beim Durchlauf des Anfangs bzw. des Endes des herzustellenden Polymeraktors durch eine oder mehrere Sprühzonen zum Aufbringen von leitfähigen M1 oder isolierenden M2 Materialien, kann eine optimale Überdeckung von leitfähigen bzw. entsprechenden isolierenden Schichten hergestellt werden, so dass bspw. eine entsprechende Kontaktierung der Elektroden gleicher Polarität möglich ist. Die Kontrolle über die Lokalisierung der einzelnen Schichten wird erfindungsgemäß in einer Prozesssteuereinheit gespeichert, welche die Aktivierung der Sprühzone (d.h. das Aufsprühen) und die Geschwindigkeit des Rollensystems regelt.
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Ferner können der Anfang oder das Ende nach Abschluss des Herstellungsprozesses nochmals so in leitfähigen Bänder oder Sprühzonen behandelt werden, dass eine sichere Kontaktierung aller Elektrodenschichten gleicher Polarität erfolgt. Weiterhin ist es bevorzugt, die beiden Enden des Polymeraktors jeweils in einen Volumenkörper einzugießen, der eine ähnliche oder größere Härte aufweist, wie der während des Beschichtungsprozesses verwendete Elastomer. Es ist bevorzugt, entsprechende mechanische Verbindungselemente, wie beispielsweise hoch leitfähige Gewindeeinsätze mit in das Volumen einzugießen, so dass nach einem Entformen eine elektromechanische, stabile Anbindung entsteht.
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4 zeigt einen Längs- und einen Querschnitt eines Polymeraktors mit kontaktierten Elektrodenschichten. Dabei sind Elektrodenschichten einer ersten Polarität an dem rechten Ende des Polymeraktors miteinander elektrisch kontaktiert, und die Elektrodenschichten einer entgegengesetzten zweiten Polarität an dem linken Ende des Polymeraktor miteinander elektrisch kontaktiert.
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Wird das Aufbringen der Materialien M1 / M2 mittels Tauchbädern G, I erzeugt, so wird die Bädertemperatur vorteilhaft über eine Temperaturregelung eingestellt, d.h. das Bad G, I wird entsprechend gekühlt oder geheizt. Hierdurch wird vorteilhaft die Dauer der Aushärtung und die Topfzeit beeinflusst. Bei der Verwendung einer Heizzone C zur Härtung/Vulkanisation kann für die Beschleunigung der Härtung/Vulkanisation der aufgebrachten Materialschichten, insbesondere wenn bei einer Elektrodenschicht Leitruß als Leitmittel verwendet wird, eine Lampe oder ein Laser mit hohem Infrarotanteil verwendet werden.
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Es ist bevorzugt, die Materialbäder G, I mit einem Rührwerk auszustatten, um die Homogenität des Polymergemisches gleichmäßig zu halten. Ferner ist es vorteilhaft vorgesehen, die Viskosität der aufzubringenden Materialien M1 / M2 über eine Einrichtung des Standes der Technik in situ zu bestimmen und über eine Pumpe Lösungsmittel zuzuführen um den Anteil des Lösungsmittels zu regeln.
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Es ist vorteilhaft vorgesehen ein Bündel aus einer Vielzahl von Polymeraktoren mit einer geringen Zahl von Materialschichten, welche mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt wurden, zu verbinden und gemeinsam mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens weiter zu beschichten, so dass eine Einheit aus mehreren Polymeraktoren analog einem Muskelpaket entsteht. Dabei ist es vorteilhaft vorgesehen, die Enden des Polymeraktor-Bündels mit einer mechanisch stabilen, elektrisch leifähigen Einheit, beispielsweise einer Öse, zu verbinden und diese mit durch den Beschichtungsprozess laufen zu lassen. Auf diese Weise wird eine günstige, strukturelle Verbindung zwischen dem Polymeraktor-Bündel und einer elektromechanischen Anbindung geschaffen.
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Ferner ist es vorteilhaft vorgesehen, dass ein Materialbad oder insbesondere eine Sprühzone (zum Aufbringen von Material M1/M2) dazu verwendet wird, ein Trennwachs gezielt auf Abschnitte des herzustellenden Polymeraktors aufzutragen. Polymermaterial, welches nachfolgend auf diese Abschnitte aufgetragen und ausgehärtet wird, lässt sich durch einfache mechanische Bearbeitung vor dem nächsten Prozessschritt wieder ablösen. Hierdurch wird ermöglicht, dass diese Abschnitte nachträglich gezielt verstärkt oder ausgedünnt werden können. Das Trennwachs kann durch einen Durchlauf durch eine Heizzone C wieder abgeschmolzen werden.
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6 zeigt mögliche elektrische Kontaktierungen zur Messung einer Kapazität C oder eines Widerstandes R. es wird davon ausgegangen, dass der Kernstrang aus einem elektrisch leitenden, eine Elektrode bildenden Material M1 besteht. 6 zeigt verschiedene Möglichkeiten einer elektrischen Kontaktierung während der Herstellung des Polymeraktor zur Messung einer Kapazität C oder eines Widerstandes R.
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Zur elektrischen und mechanischen Anbindung einer Elektrode des Polymeraktors an eine Prozessumgebung - so zum Beispiel die innerste Elektrode nach dem ersten Aushärtevorgang - kommen die folgenden, bevorzugten Verfahren zum Einsatz.
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Kontaktierung durch Klemmen
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Die Kontaktierung einer ausgehärteten Elektrodenschicht oder der innersten Elektrode erfolgt vorteilhaft durch einfache Klemmen, dabei können gezahnte oder glatte Klemmen zum Einsatz kommen, welche das Elektrodenmaterial M1 nicht beschädigen, aber einen guten Halt im Elektrodenmaterial herstellen. Gezahnte Klemmen können zu diesem bevorzugt so ausgebildet sein, dass die Zähne nur leicht in die Oberfläche des Elektrodenmaterials M1 eindringen. Dadurch wird der Übergangswiderstand verringert. Die Kontakte sind vorzugsweise aus einem Material mit geringem Oberflächenwiderstand, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold ausgeprägt.
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Kontaktierung durch Einschrauben und Einkleben einer Federelektrode
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Die Elektroden des Polymeraktuators in einer Weiterbildung über eine Schraubenfeder kontaktiert. Dabei wird diese Schraubenfeder, welche aus einem elastischen, leitfähigen Material bzw. einem entsprechend leitfähigen und leitfähig beschichteten Polymer besteht, entweder bei der Herstellung in den Anfang und das Ende des Polymeraktors mit eingearbeitet oder jeweils in die Enden des Polymeraktors eingeschraubt und nach Bedarf mit dem gleichen Material verklebt. Das Ende der Schraubenfeder, welches in die Elektrode eingeschraubt wird, ist vorteilhaft angespitzt, um das Eindringen in den Polymer zu erleichtern. Durch das Federelement wird ein günstiger hart-zu-weich-Übergang geschaffen, welcher das Risiko eines Materialbruchs an der Elektrode verringert. Ausgehend von der Feder ist die weitere Anbindung mit einem Kabel möglich. Die Feder kann auch aus einem Metall mit geringem Oberflächenwiderstand, bspw. Gold, gefertigt sein.
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Kontaktierung durch Einkleben eines „Turbans“
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Die Elektroden können in einer weiteren bevorzugten Anwendungsform als leitfähiges Metallband von entsprechender Dimensionierung ausgeprägt sein, welches um die Kontaktzone des Aktuators gewickelt und verklebt oder eingegossen wird. Dabei wird der Wickelradius aufgrund der Verjüngung am Ende des Polymeraktors immer enger, was den Vorteil hat, dass sich bei einer Zugbelastung die so entstandene „Feder“ zusammenzieht und die Fixierung erhöht und gleichzeitig die Funktion einer Zugentlastung übernimmt. Das Metallband kann nachfolgend an einen Draht oder ein Kabel angelötet werden. Auf diese Art und Weise wird eine mechanisch sichere, flexible und niederohmige Verbindung zum Polymeraktor gewährleistet. Ebenso wie bei der zuvor genannten Variante entsteht ein günstiger hart-zu-weich-Übergang. 7 zeigt hierzu zur Erläuterung des Vorstehenden beispielhaft ein Ende eines Polymeraktors mit einem Kernstrang und darauf aufgebrachten vier Materialschichten MSk, wobei die äußere Materialschicht durch das Material M1 gebildet wird. Deutlich zu erkennen ist die turbanartige Umwicklung des Endes des Polymeraktors.
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Elektrische/mechanische Anbindung durch Takling
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Die elektrische bzw. mechanische Anbindung des Polymeraktors kann durch ein sogenanntes „Takling“ erfolgen, wie es aus dem Bereich der Schifffahrt bekannt ist. Dabei wird eine parallel an ein freies Ende des Polymeraktuators gelegte Schlaufe mehrfach mit demselben Stück Befestigungsdraht oder -schnur umwickelt, wobei die Wicklung zur Bucht der Schlaufe hin erfolgt. Zum Abschluss wird das offene Ende der Wicklung durch die verbleibende Bucht gezogen und durch Zurückziehen der Bucht unter die Wicklungen fixiert. Anschließend kann das Takling mit leitfähigem Elektrodenmaterial oder mit dem Material des Dielektrikums beschichtet bzw. das Takling selbst als leitfähige elektromechanische Anbindung verwendet werden. Das Taklingmaterial selbst kann demnach bevorzugt leitfähig ausgeprägt sein, so dass die fertige Einheit einen leitfähigen Übergang von einem harten auf ein weiches Material darstellt. Grundsätzlich kann das Takling-Material selbst aus Kunststoff, Cellulose, Metall oder einem anderen elastischen oder nicht elastischem und aus Einzelfasern oder einem Faserverbund bestehen. Je nachdem, ob die elektrischen Eigenschaften des hergestellten Polymeraktors in situ gemessen werden sollen, ist das Material leitfähig oder isolierend. 8 zeigt hierzu zur Erläuterung des Vorstehenden beispielhaft ein Ende eines Polymeraktors mit einem Kernstrang und darauf aufgebrachten vier Materialschichten MSk, wobei die äußere Materialschicht durch das Material M1 gebildet wird. Deutlich zu erkennen ist die Tacklingartige Umwicklung des Endes des Polymeraktors.
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Durch die beschriebenen Verfahren, insbesondere durch die Anbringung eines „Turbans“ oder eines Taklings, ergibt sich die Möglichkeit, bei Verwendung entsprechend dünner Anschlusskabel oder -drähte, am gleichen Ende des Polymeraktors mehrere Elektroden, auch unterschiedlichen Typs zu verbinden, wenn eine Isolationsschicht entsprechend weit über diesen Draht (oder Kabel) hinausgezogen wurde. Beispielsweise kann der Kernstrang zunächst mit einem Takling versehen werden. Im nächsten Schritt wird dieses Takling mit einer Isolationsschicht versehen. Im darauffolgenden Schritt kann über diese Isolationsschicht erneut eine leitfähige Schicht, welche die Elektrodenschicht der anderen Polarität darstellt, aufgetragen werden, welche wiederum mit einem leitfähigen Anschluss versehen wird. Somit sind beide Polaritäten an einem Ende angeschlossen.
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Eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung von koaxialen, elektroaktiven Polymeraktoren umfasst demzufolge je nach Ausführungsform ein oder mehrere Merkmale der folgenden Liste:
- - einem Extruder, eine Tropfdüse, einen Dispenser,
- - Materialbäder mit leitfähigem oder nicht leitfähigem Polymermaterial M1/M2,
- - Blenden zur mechanischen Festlegung der der aufgetragenen Materialschichtdicke,
- - eine Trocknungseinrichtungen (Lüftung, Lampe, Laser),
- - Abbläser für aufgetragenes noch flüssiges Material M1/M2,
- - Transportrollen mit Encodern oder Resolvern auf denen der zu fertigende Polymeraktor geführt wird,
- - elektrische Anbindungen an eine Prozessregelung,
- - hochauflösenden Kameras.
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Ein Verfahren zur Herstellung von koaxialen, elektroaktiven Polymeraktoren umfasst vorteilhaft folgende Schritte:
- - Herstellen eines Kernstrangs aus leitfähigem M1 oder dielektrischem M2 Material,
- - Aufbringen von weiteren, leitfähigen M1 oder dielektrischen M2 Materialschichten MSk durch Tauch- oder Sprühverfahren,
- - Abstreifen überschüssigen Materialauftrags mittels mechanischer Blenden,
- - vollständige oder teilweise Trocknung der aufgetragenen Materialschichten MSk,
- - Messen von Prozessparametern (Heizung, Kühlung, Anteil leitfähiger Stoffe, Anteil permittiver Stoffe, Anteil des Lösungsmittels, Drehzahl der Rollen, etc.),
- - Messen von Eigenschaften (C, R) am bereits teilweise hergestellten Polymeraktor,
- - Regelung des Herstellungsprozesses anhand der gemessenen Eigenschaften (R, C) des bereits teilweise hergestellten Polymeraktors,
- - ein- oder mehrfache elektrische Anbindung des Polymeraktuators.
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Vorteilhaft durchläuft der Polymeraktor während seiner Herstellung mehrere Materialbäder hintereinander, wobei jedes Materialbad eine Teilkomponente eines mehrkomponentigen Polymers enthält. Vorteilhaft erfolgt eine elektrisch leitende Verbindung einer oder mehrerer der bereits aufgebrachten Elektrodenschichten an die Messvorrichtung der Vorrichtung zur Herstellung des Polymeraktors. Vorteilhaft erfolgt über die elektrisch leitende Verbindung eine Messung des Widerstands R einer oder mehrerer Elektrodenschichten. Vorteilhaft erfolgt über die elektrisch leitende Verbindung eine Messung der Kapazität C zwischen zwei oder mehreren Elektrodenschichten. Vorteilhaft wird über die elektrisch leitende Verbindung eine Messung der Kapazität C zwischen einer oder mehrerer Elektroden des Polymeraktors und einer oder mehrerer externen Komponenten der Vorrichtung zur Herstellung des Polymeraktors. Vorteilhaft werden die gemessenen elektrischen Eigenschaften des im Herstellungsprozess befindlichen Polymeraktors in Steuer-/Regelgrößen zur Steuerung/Regelung des Herstellungsprozesses des Polymeraktors umgewandelt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 101 - 105
- Verfahrensschritte
- 201
- Prozesssteuereinheit
- 202
- System, das dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf den bereitgestellten Kernstrang koaxial zur Längsachse LA eine Anzahl K Materialschichten MSk jeweils aus einem elastomeren Material Mk aufzubringen
- 203
- Messvorrichtung
