Anwendungsspezifische Adaption des dynamischen Verhaltens von paraffinbasierten Dehnstoffaktoren

Paraffinbasierte Dehnstoffaktoren (DSA) bilden eine leistungsstarke Aktorklasse, die bei kompakten Abmessungen hohe Stellkräfte erreichen kann. Insbesondere für zukünftige Aufgabenstellungen zur Beeinflussung steifer Systeme und mechanischer Verbindungen sind sie vielversprechend. Damit können sie Anwendungen adressieren, die aktuell nur unzureichend durch Stellglieder abgedeckt sind. Diese Stellaufgaben werden angesichts der kontinuierlich steigenden Automatisierung der Industrie in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Auf Basis der technologischen Grundlagen und funktionalen Zusammenhänge untersucht diese Arbeit, wie eine reproduzierbare Fertigung der DSA gesichert und ein anwendungsspezifisches Dynamikverhalten sowie eine gewünschte Kraft-Weg-Charakteristik erzeugt werden können. Das übergeordnete Ziel ist das Schaffen der notwendigen Grundlagen für spezifische Applikationsprojekte der DSA in industriellen Anwendungen. Hierfür werden entlang einer Entwicklungsmethodik technische Lösungen in Bezug auf die Aktorfertigung und die Einstellung der Aktorcharakteristik im Detail analysiert. Anschließend wird ein numerisches Modell aufgebaut und validiert. Anhand experimenteller Untersuchungen werden die numerischen Untersuchungen abgesichert und durch fertigungstechnische Erkenntnisse erweitert. Ein Ergebnis dieser Arbeit ist eine robuste Fertigungsroute für DSA mit reproduzierbarer Kennlinie sowie die umfassende Charakterisierung gefertigter DSA. An diesen werden Optionen zur Einstellung und Optimierung des Dynamikverhaltens mittels Gestaltungsmaßnahmen für Material, Form und Aktorfunktionalität aufgezeigt. Die Weiterentwicklung der DSA erfolgt hinsichtlich der verwendeten Materialien, neuartiger Geometrien, nicht-axialer Wirkrichtungen sowie integrierter Funktionsstrukturen und ansteuerbarer Wärmequellen und -senken. Anhand von zwei industrienahen Demonstratoren wird zudem die praktische Relevanz der DSA verdeutlicht und die Vielseitigkeit der Technologie demonstriert. Diese Ergebnisse ermöglichen ein umfassendes Verständnis der Einstellmöglichkeiten des Dynamikverhaltens von DSA und ergänzen somit die bisher begrenzten Forschungsarbeiten im Bereich makroskopischer Dehnstoffaktoren. Im Zuge dieser Tätigkeiten wurde die Technologie der DSA von der Grundlagenforschung (TRL3) für die Anwendung in anwendungsorientierten Demonstratoren (TRL 6) qualifiziert. Für zukünftige Anwendungsfälle können die grundlegenden Entwurfsparameter dieser Arbeit entnommen und als Grundlage für weiterführende spezifisch anwendungsbezogene Entwicklungsprojekte genutzt werden.

Paraffin wax phase change actuators (PCA) form a powerful class of actuators that achieves high actuation forces while maintaining compact dimensions. They are particularly promising for future applications in the control of rigid systems and mechanical connections. As a result, they can address applications that are currently only inadequately covered by actuators. These positioning tasks will become even more important in the future in consideration of the continuously increasing automation of the industry. Based on the technological principles and functional interrelationships, this thesis investigates how a reproducible production of the PCA can be ensured and how an application-specific dynamic behavior and force-displacement characteristic of the PCA can be generated. The overall aim is to create the necessary basis for future application of PCAs in a wide range of industrial applications. For this purpose, technical solutions in relation to actuator production and the adjustment of actuator characteristics are analyzed in detail using a development methodology. A numerical model is then developed and validated. Experimental investigations are used to validate the numerical investigations and extend them with production-related findings. One result of this work is a robust manufacturing route for PCAs with a reproducible characteristic curve and a comprehensive characterization of the manufactured PCAs. Measures for adjusting and optimizing the dynamic behavior are shown by means of design measures for material, shape and actuator functionality. The advanced development of the PCAs is based on the materials used, new geometries, non-axial directions of actuation as well as integrated functional structures and controllable heat sources and sinks. The practical relevance of PCAs and the diversity of the technology will also be illustrated using two industry-related demonstrators. The results of this work provide a comprehensive understanding of the adjustment possibilities for the dynamic behavior of PCAs, thus extend the previously limited research in the field of macroscopic phase change material actuators. In the course of these activities, the PCA technology was qualified from basic research (TRL 3) for use in application-oriented demonstrators (TRL 6). For future applications, the basic design parameters can be obtained from this work and used as a basis for further specific application-related development projects.