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Dielektrische Elastomerstapelaktoren für ein peristaltisches Fluidfördersystem

Lotz, Peter :
Dielektrische Elastomerstapelaktoren für ein peristaltisches Fluidfördersystem.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dielektrische Elastomerstapelaktoren für ein peristaltisches Fluidfördersystem
Language: German
Abstract:

Dielektrische Elastomeraktoren sind eine Klasse von elektroaktiven Polymeren, die seit ca. 10 Jahren intensiv erforscht werden. Diese Aktoren beruhen auf dem elektrostatischen Prinzip der Anziehung entgegengesetzter Ladungen. Aufgrund ihres geringen Gewichtes, der hohen Flexibilität und großen Auslenkung wird diesen Festkörperaktoren ein hohes Potenzial zugeschrieben, in den kommenden Jahren konventionelle Aktortechnologien zu ersetzen. Die Technologie der dielektrischen Elastomeraktoren wird im Rahmen dieser Arbeit verwendet, um eine peristaltische Pumpe zu entwickeln. Bei der peristaltischen Fluidförderung wird das Bewegungsmuster biologischer Hohlorgane nachgeahmt. Die periodische Kontraktion und Relaxation der Muskeln dieser Organe führt dazu, dass Medien durch das Organ hindurch bewegt werden. Technische Umsetzungen dieses für biologische Flüssigkeiten schonenden Pumpprinzips gibt es bisher nur in Form von Schlauchpumpen. Bei diesen Geräten steht einem kleinen Schlauchdurchmesser eine unverhältnismäßig große Antriebsmechanik gegenüber. Für die technologische Realisierung der in den peristaltischen Pumpenkörper integrierten Aktorelemente sind umfangreiche Prozesscharakterisierungen und -optimierungen notwendig. Dieser Thematik ist der erste Schwerpunkt gewidmet. Ausgehend vom Stand der Technik der Materialien und Prozessierung von Dielektrikum und Elektrode werden Möglichkeiten zur Reduzierung der Betriebsspannung untersucht. Es wird gezeigt, dass durch das Einbringen von anorganischen Partikeln mit hoher Dielektrizitätszahl eine Verdoppelung der Leistungsfähigkeit der Aktoren zu erwarten ist. Mit Hilfe eines Modells aus konzentrierten Bauelementen wird erklärt, wie der Schichtwiderstand der Elektroden Betriebsparameter wie z. B. die maximale Arbeitsfrequenz beeinflusst. Zur Charakterisierung der Aktoren werden spezielle Messplätze entwickelt. Um die gewonnen Messdaten verifizieren und erklären zu können wird ein elektrisch-mechanisches Modell dielektrischer Elastomerstapelaktoren entwickelt. Das mechanische Verhalten wird in diesem Modell mit Hilfe eines modifizierten Festkörpermodells beschrieben. Durch die Kombination des elektrischen und mechanischen Modells kann die dynamische Auslenkung der Aktoren über einen großen Frequenzbereich beschrieben werden. Im zweiten Teil wird die peristaltische Fluidförderung betrachtet. Es wird dargestellt, in welcher Form wichtige Parameter wie Wellenlänge, Amplitude und geometrische Abmessungen die Förderleistung beeinflussen. Es werden zwei Möglichkeiten aufgezeigt, wie aus dielektrischen Elastomeraktoren Fluidfördersysteme aufgebaut werden können. Mit Ergebnissen numerischer Simulationen werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Fluidsysteme aufgezeigt und es werden Designparameter für die Aktorik der peristaltischen Pumpe definiert. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich der Realisierung des Fluidfördersystems. Anhand der im zweiten Teil definierten Parameter wird eine Variante der peristaltischen Pumpe mit dielektrischen Elastomeraktoren entwickelt und realisiert. Hierbei wird sowohl auf die Besonderheiten der Fertigung als auch auf die messtechnische Charakterisierung der Elastomeraktoren und der Pumpe eingegangen. Die Fertigung zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Pumpenkörper mit integrierten Aktorelementen und innenliegendem Kanal in einem durchgehenden Prozess vollautomatisiert hergestellt wird. Die Charakterisierung zeigt die Leistungsfähigkeit der Aktortechnologie und die fluidischen Kennwerte der Pumpe. Die Messungen an mehreren Pumpenexemplaren ergeben eine maximale Förderleistung von bis zu 11 µl/min. Damit zeigt diese Arbeit erstmalig, wie die Vorzüge dielektrischer Elastomerstapelaktoren für fluidische Anwendungen genutzt werden können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Dielectric elastomer actuators are a class of electroactive polymers which have been developed for about ten years. Their functional principle is based on the forces between opposite charges. These actuators appeal due to their lightness, flexibility and large displacements. It is in their capacity to replace conventional actuator technologies over the next few years. Within the scope of this thesis the technology of dielectric elastomer actuators is used to realize a peristaltic pump. A peristaltic pump adopts the motion pattern of a biological hollow organ. Here, periodic contractions and relaxations of the organs' muscles move a medium through the organ. As these movements have a very low impact on the sensitive cell membranes, the peristaltic fluid delivery is extremely gentle to biological fluids. Until now, the only technical implementation of the peristaltic principle has been found in hose pumps. A drawback of these pumps is the relationship between their hose diameter and their relatively large driving mechanism. To realise the actuator elements which are integrated into the peristaltic pump body, extensive process characterisations are necessary. This is the topic of the first part of the thesis. The technology of dielectric elastomer actuators is described in detail. Based on the state-of-the-art of materials and processing of dielectric and electrodes, possibilities to reduce the driving voltage are investigated. The results show that compounds of dielectric polymers and anorganic particles can nearly double the performance of dielectric elastomer actuators. The requirements on the electrodes are defined by using a lumped electrical model. With the help of this model it can be demonstrated how the sheet resistance influences operating parameters, e. g. the maximum driving frequency. Several dedicated measurement setups are developed to characterize the actuator elements. To verify the measurement data an electrical-mechanical model of dielectric elastomer stack actuators is developed. Within this model a modified solid-body-model is used to describe the mechanical behavior of the actuators. Combining the electrical and mechanical model the dynamic deformation of the actuators can be described over a broad frequency range. The second part describes the peristaltic fluid delivery. It is shown how important parameters such as wavelength, amplitude and geometric size influence the flow rate of the pump. Two ways are identified for the development of a peristaltic pump from dielectric elastomer actuators. The results of a numeric simulation outline the possibilities and limits of such fluidic systems. Furthermore, the results are used to define design parameters of actuator elements of the peristaltic pump. The third part describes the realisation of the peristaltic fluid system itself. With the help of the parameters defined in the second part of the thesis, a version of the peristaltic pump is developed and realized. Here, the particularities of its fabrication and electromechanical characterization are taken into consideration. One particular feature of the automated fabrication is that the pump is build in one single process in which all the actuator elements and the fluidic channel are integrated within the polymeric body. The peristaltic pump has a maximum flow rate of 11 µl. This illustrates the possibilities and performance of the peristaltic pump in particular, as well as of the actuator technology in general. Finally, this thesis shows for the first time how the advantages of stacked dielectric elastomer actuators can be used for fluidic applications.English
Uncontrolled Keywords: Dielektrische Elastomeraktoren; Elektroaktive Polymere; Fluidsystem; Peristaltik
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Dielektrische Elastomeraktoren; Elektroaktive Polymere; Fluidsystem; PeristaltikGerman
dielectric elastomer actuators; electroactive polymers; fluid system; peristalsisEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Date Deposited: 25 Jan 2010 09:57
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20058
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut F. and Ulrike, Prof. Dr.- Wallrabe
Refereed: 30 November 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2005
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