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Dielektrische Elastomer-Stapelaktoren mit gelochten Elektroden für strukturdynamische Anwendungen

Kaal, William :
Dielektrische Elastomer-Stapelaktoren mit gelochten Elektroden für strukturdynamische Anwendungen.
tuprints, E-Publishing-Service der TU-Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dielektrische Elastomer-Stapelaktoren mit gelochten Elektroden für strukturdynamische Anwendungen
Language: German
Abstract:

Dielektrische Elastomere versprechen als neuartige Wandlerwerkstoffe aufgrund ihrer geringen Dichte, ihrer hohen Flexibilität, ihrem großem Deformationsvermögen und ihrer kostengünstigen Verfügbarkeit innovative Lösungen den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten.

Für aktive Systeme in der Strukturdynamik sind jedoch die konventionellen Konzepte für Elastomer-Stapelaktoren mit flexiblen Elektroden nachteilig, da diese bei der Anbindung an mechanisch dehnstarre Systeme erhebliche Verluste hervorrufen und aufgrund der niedrigen elektrischen Leitfähigkeit eine geringe Dynamik aufweisen.

In dieser Arbeit wird daher ein neues, patentiertes Konzept für Elastomer-Stapelaktoren präsentiert, das auf metallischen, dehnstarren Elektroden basiert, die eine mikroskopisch feine Lochstruktur aufweisen. Sie gestattet dem Elastomer eine lokale Deformation aufgrund der kompressiblen Luft in den Löchern. Damit stellt sich trotz der Volumenkonstanz des Elastomermaterials eine makroskopische Kompressibilität mit gleichbleibender Querschnittsfläche des Stapelaktors ein.

Die für die Dimensionierung und Optimierung dieser Aktoren notwendigen Methoden werden anhand von verschiedenen numerischen Berechnungsmodellen konsequent entwickelt und diskutiert. Sie bieten dem Anwender neue Auslegungswerkzeuge und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur maßgeschneiderten Entwicklung von dynamischen Aktoren auf Elastomerbasis.

Aufbauend auf den numerischen Ergebnissen wird ein Aktor entworfen und als Funktionsdemonstrator aufgebaut. Er besteht aus galvanogeformten Nickelelektroden, die im Stapelverbund durch Elastomerschichten aus Naturkautschuk getrennt sind. Die anschließend durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen, wie ein solcher Aktor mechanisch, elektrisch und elektromechanisch charakterisiert und für den Einsatz in mechatronischen Systemsimulationen modelliert werden kann.

Abschließend wird anhand zweier Anwendungen aus dem Bereich der Strukturdynamik die Einsatz- und Leistungsfähigkeit des Aktorkonzepts demonstriert. Einerseits wird der Funktionsdemonstrator zum Aufbau eines adaptiven Tilgers verwendet, andererseits als Inertialmassenaktor zur Schwingungsreduktion einer Leichtbaustruktur eingesetzt. Dabei wird die Erweiterung des Funktionsumfangs gegenüber rein passiven Elastomerkomponenten deutlich und die erfolgreiche strukturkonforme Integration aktorischer Funktionen in lasttragenden Komponenten gezeigt. Die gute Übereinstimmung der experimentellen und numerischen Ergebnisse bestätigt zudem die Gültigkeit und Anwendungsfähigkeit der zuvor vorgestellten Modellierungsstrategie und erlaubt zukünftig die Vorabbeurteilung anderer möglicher Einsatzgebiete des entwickelten Aktors.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Dielectric elastomers promise innovative solutions various fields of application due to their low density, high flexibility, large deformation potential and low-cost availability. However, conventional concepts for elastomer stack actuators with flexible electrodes are disadvantageous for active systems in structural dynamics, since the electrodes lead to significant losses when attached to mechanical rigid structures and show a poor dynamic due to their low electrical conductivity. Within this thesis a new, patented concept for elastomer stack actuators is presented which is based on metallic, rigid electrodes, composing a microscopic hole pattern. It allows the elastomer to deform locally due to the compressible air in the cavities. Thus a macroscopic compressibility and a constant cross sectional area in spite of the incompressibility of the elastomer material is achieved. The methods necessary for the dimensioning and optimization for such actuators are developed and discussed using numerical models. They equip the user with a novel design tool and thus make a significant contribution to the tailored development of dynamic actuators on the basis of dielectric elastomers. Based on the numerical results an actuator is designed and built as functional demonstrator. It consists of perforated nickel electrodes manufactured in a galvanic forming process and separated in the stack structure by elastomer layers made of natural rubber. The subsequent experimental investigations show how such an actuator can be characterized mechanically, electrically and electromechanically and how a numerical model for usage in mechatronic System simulations can be derived. Finally the applicability and effectiveness of the actuator concept is demonstrated by two applications from the field of structural dynamics. On the one hand the functional Demonstrator is used to build an adaptive vibration absorber; on the other hand it is used to realize an inertial mass actuator for the active vibration control of a lightweight structure. In doing so the expansion of the functional range compared to purely passive elastomer components is made clear and the successful integration of actuatoric functionalities into load-bearing components shown. The good agreement of experimental and numerical results furthermore confirm the validity and applicability of the modelling strategy shown before and permit the pre-evaluation of other potential areas of application of this actuator in the future.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: tuprints, E-Publishing-Service der TU-Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Strukturdynamik, Dielektrische Elastomere, Elektroaktive Polymere, Wandlerwerkstoffe
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
structural dynamics, dielectric elastomers, electroactive polymers, smart materialsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research Group of System Reliability and Machine Acoustics (SzM)
Date Deposited: 29 Aug 2014 10:08
Last Modified: 29 Aug 2014 10:08
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41368
Referees: Melz, Prof. Tobias and Dörsam, Prof. Edgar
Refereed: 3 June 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4136
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