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Herstellung und Anwendung Dielektrischer Elastomerwandler in der Mensch-Technik-Interaktion

Klug, Florian (2022)
Herstellung und Anwendung Dielektrischer Elastomerwandler in der Mensch-Technik-Interaktion.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00019958
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Herstellung und Anwendung Dielektrischer Elastomerwandler in der Mensch-Technik-Interaktion
Language: German
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. ; Maas, Prof. Dr. Jürgen
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 176 Seiten
Date of oral examination: 23 July 2021
DOI: 10.26083/tuprints-00019958
Abstract:

Innerhalb der nachfolgenden Arbeit wurde die Herstellung und Anwendung von dielektrischen Elastomerwandlern (DEW) für Anwendungen in der Mensch-Technik-Interaktion untersucht. Dafür wurden im Rahmen einer Analyse die physiologischen Fähigkeiten des Menschen mit den Eigenschaften von DEW verglichen und die drei Themengebiete künstliche Muskeln, akustische- und taktile Wandler als Schwerpunkte ausgewählt. In diesen Bereichen bieten DEW aufgrund ihrer elektromechanischen Eigenschaften eine spannende Ergänzung zu konventionellen Technologien. Im Fokus stand dabei der Aufbau und die experimentelle Charakterisierung von Prototypen und die Implementierung der dafür notwendigen Herstellungsverfahren. Im Bereich der künstlichen Muskeln wurde ein für DEW neuartiges Herstellungsverfahren auf Basis der Tauchbeschichtung zur Fertigung tubulärer Wandler mit einem Aspektverhältnis größer als 25 (Länge/Durchmesser) entwickelt. Damit können dielektrische Schichten im Bereich weniger Mikrometer bis hin zu einigen 100 µm und einer Homogenität innerhalb der Schichtdicke von weniger als ±8 % aus der flüssigen Phase hergestellt werden. Die Eignung der Tauchbeschichtung wurde zusätzlich für die Applikation der Elektroden untersucht, wobei eine geeignete Dispersion identifiziert werden konnte. Obwohl das Verhalten bei Dehnung verglichen mit auf Pulver basierten Elektroden mit einem größeren Widerstandsanstieg einhergeht, sind reproduzierbare Schichten mit spezifischen Flächenwiderständen um 5 kΩ/sq herstellbar. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend wurden mehrlagige DEW Prototypen mit einer Länge von mehr als 70 mm und vollständig konzentrischem Schichtaufbau hergestellt. Im Rahmen von Simulationen mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) konnte durch die Integration von radialen Versteifungen eine Steigerung der Dehnung um mehr als 30 % gegenüber dem nicht versteiften Wandler erzielt werden. Dies ermöglichte bei einer experimentellen Charakterisierung der Prototypen Dehnungen von mehr als 5 % und unter Berücksichtigung der Gesamtlänge Auslenkungen im Bereich einiger Millimeter. Hinsichtlich Dichte, Energiedichte und Leistungsdichte liegen diese in der gleichen Größenordnung wie natürliche Muskeln. Weitere Simulationen sagen voraus, dass bei Optimierung des Herstellungsverfahrens und Erhöhung der Schichtzahl Dehnungen von bis zu 15 % erreichbar sind. Die Untersuchung der akustischen Eigenschaften erfolgte an einlagigen DE-Lautsprechern in einer Array-Bauform mit pneumatischer Vorspannung. Dabei stand die Optimierung der akustischen Eigenschaften mit Hilfe von Geometrie und Ansteuerung und dessen experimentelle Charakterisierung im Vordergrund. Mit den zu Demonstrationszwecken aufgebauten Prototypen konnte ein Frequenzbereich von 0,6 kHz bis über 24 kHz mit Schalldruckpegeln bis zu 110 dB abgedeckt werden. Durch eine digitale Kompensation des Frequenzganges konnte ein homogener Verlauf erzielt werden, welcher mit konventionellen elektrodynamischen Mittelton- und Hochtonlautsprechern vergleichbar ist. Dabei lagen die messtechnisch erfassten harmonischen Verzerrungen in weiten Teilen des Sprachfeldes deutlich unterhalb der Wahrnehmungsschwelle von 1 %. Durch Anpassungen von Bauteilen und Bauform konnten DE-Lautsprecher mit einem Gesamtgewicht von 20 g bei Abmessungen von 110 × 110 mm2 und einer Gesamtdicke von 1,5 mm hergestellt werden. Diese lassen sich aufgrund der strukturellen Flexibilität der DEW auch an gewölbte oder komplex geformte Oberflächen anpassen und bieten so großen gestalterischen Freiraum. Zusätzlich können die akustischen Eigenschaften wie beispielsweise die Richtcharakteristik durch gezielte Krümmungen optimiert und im Betrieb variiert werden. Im Bereich der haptischen Interaktion mit DEW wurde das hochdynamische Verhalten von mehrlagigen Wandlern im Frequenzbereich von 5 Hz bis 1250 Hz untersucht. Die innerhalb einer elektromechanischen Modellierung ausgewählte Bauform mit einer Kantenlänge der quadratischen Grundfläche von 10 mm und einer Gesamthöhe von 8 mm bei 400 aktiven Schichten wurde dafür in eine Demonstrationsanwendung integriert. Damit konnten Auslenkungen bis 30 µm im kompletten Frequenzbereich bis über 1000 Hz und somit deutlich oberhalb der Wahrnehmungsschwelle des Menschen gemessen werden. Durch die Integration in ein Master-Slave-System war die Durchführung von zwei Probandenstudien zur taktilen Wahrnehmung möglich. Zunächst wurde dabei die Funktionsfähigkeit des Systems anhand einer Studie zur Bestimmung der taktilen Wahrnehmungsschwelle am Zeigefinger bestätigt. Diese wurde an 10 Probanden mit einer 1up-2down-Staircase Methode durch Variation der Amplitude für Frequenzen zwischen 5 Hz bis 1250 Hz ermittelt und mit Literaturangaben verglichen. Nachfolgend wurde in einer zweiten Studie die wahrgenommene Übereinstimmung beim Abtasten von acht alltäglichen Oberflächen mit dem handgehaltenen Master-Slave-System bestimmt. Die dabei am stiftförmigen Eingabegerät real auftretenden Beschleunigungen in den drei Raumachsen wurden dafür messtechnisch erfasst und in einer Live-Datenverarbeitung auf einen Freiheitsgrad reduziert. Mit einer Zeitverzögerung von weniger als 40 ms können diese Beschleunigungen am Ausgabegerät präsentiert werden. Insgesamt konnte mit dem System bei 10 Probanden im Durchschnitt eine Übereinstimmung in der Wahrnehmung von 73,8 % erreicht werden. Mit einem Frequenzbereich von mindestens 5 Hz bis 800 Hz können somit vor allem die regelungstechnisch anspruchsvollen Kontaktreaktionen, wie beispielsweise das Antippen von Oberflächen, besonders realistisch abgebildet werden. In Kombination mit anderen Systemen sind DEW daher eine vielversprechende Ergänzung für zukünftige Anwendungsfelder, wie beispielsweise in der virtuellen Realität. Die vorliegende Arbeit zeigt die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von DEW im Bereich der Mensch-Technik-Interaktion. Durch den Einsatz polymerer Funktionsmaterialien können technische Systeme nicht nur leistungsfähiger oder kompakter, sondern auch dem Menschen ähnlicher gestaltet werden. Insbesondere die Flexibilität der Materialien bei hoher Leistungsdichte und Dynamik bilden den Grundstein für neuartige Anwendungsfelder, die eine weitergehende Forschung auf diesem Gebiet motivieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Within the following work, the fabrication and application of dielectric elastomer transducers (DEW) for human-machine-interaction applications was investigated. For this purpose, the physiological capabilities of humans were compared with the characteristics of DEW. The three topics of artificial muscles, acoustic and tactile transducers were selected as focus areas, since DEW offer an exciting complement to conventional technologies in these fields due to their electromechanical properties. The emphasis thereby was on the design and experimental characterization of prototypes and the implementation of required manufacturing processes.

In the field of artificial muscles, a novel fabrication process for DEW based on dip coating was implemented for the fabrication of concentric and tubular transducers with aspect ratios higher than 25 (length/diameter). This allows dielectric layers in the range of a few micrometers to a few 100 µm and a homogeneity within the layer thickness of less than ±8 % to be fabricated from the liquid phase. The suitability of dip coating was additionally investigated for electrode application, and an appropriate dispersion was identified. Although the behavior under strain is accompanied by a larger resistance increase compared to powder-based electrodes, reproducible coatings with sheet resistivity around 5 kΩ/sq are manufacturable. Based on these findings, multilayer DEW prototypes with an active length of more than 70 mm and fully concentric layer structure were fabricated. Within simulations using finite element methods (FEM), an increase in strain of more than 30 % compared to the unaltered transducer could be achieved by implementing radial stiffeners. This allowed strains of more than 5 % in an experimental characterization of the prototypes and deflections in the range of a few millimeters considering the overall length. In terms of density, energy density, and power density, these are on the same order of magnitude as natural muscles. Further simulations predict that strains of up to 15 % are possible if the manufacturing process is optimized and the number of layers is increased.

The investigation of the acoustic properties of single-layer dielectric elastomeric loudspeakers was conducted in an array design with pneumatic preloading. The focus was on optimizing the acoustic properties in the experimental characterization through changes in geometry and the implementation of digital signal processing. With the prototypes built for demonstration purposes, a frequency range of 0,6 kHz to more than 24 kHz with sound pressure levels up to 110 dB could be covered. By a digital compensation of the frequency response a homogeneous regime could be achieved, which is comparable with conventional electrodynamic midrange and high-frequency loudspeakers. The measured harmonic distortions in large parts of the speech field were clearly below the perception threshold of 1 %. By making adjustments to components and design, dielectric elastomeric loudspeakers with a total weight of 20 g and dimensions of 110 × 110 mm2 aswell as a total thickness of 1,5 mm could be fabricated. These can be adapted to curved or complex-shaped surfaces due to the structural flexibility of the materials used.

In the field of haptic interaction with DEW, the highly dynamic behavior of multilayer transducers in the frequency range of 5 Hz to 1250 Hz was investigated. The design selected within an electromechanical modeling with an edge length of the square base of 10 mm and a total height of 8 mm at 400 active layers was integrated into a demonstration application for this purpose. This made it possible to measure deflections up to 30 µm in the tactile frequency range of up to 1000 Hz, which is far above the perception threshold of humans. By integrating the system into a master-slave system, it was possible to conduct two subject studies on tactile perception. First, the functionality of the system was confirmed by a study to determine the tactile perception threshold on the index finger. This was determined on 10 subjects using a 1up-2down-staircase method by varying the amplitude for frequencies between 5 Hz to 1250 Hz, which gave results comparable with literature data. Subsequently, in a second study, the perceived agreement when scanning eight everyday surfaces with the hand-held master-slave system was determined. The real accelerations occurring on the pen-shaped input device were measured, reduced in a live data processing to one degree of freedom and then reproduced on the output device. In total, the system was able to achieve an average perceptual agreement of 73,8 % for 10 test subjects. With a frequency range of at least 5 Hz to 800 Hz, contact reactions that are demanding in terms of control technology, such as tapping surfaces, can thus be reproduced particularly realistically. In combination with other systems, DEW are therefore a promising addition for future fields of application, such as virtual reality.

The present work shows the manifold possible applications of DEW in the field of human-technology interaction. By using polymeric functional materials, technical systems can not only be made more powerful or compact, but also more similar to humans. In particular, the flexibility of the materials with high power density and dynamics form the foundation for novel fields of application that motivate further research in this area.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-199585
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 10 Mar 2022 13:04
Last Modified: 27 Jul 2022 09:57
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19958
PPN: 492793441
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