Durch Kontraktion bewirken Muskeln völlig geräuschlos exakte, ruckfreie und geschmeidige Bewegungen. Mit Elektromotoren lassen sich solche Bewegungen nicht erzeugen – sehr wohl aber mit neuartigen Aktoren, die ähnlich wie Muskeln eine Änderung ihrer Gestalt zur Bewegungserzeugung nutzen. Solche „künstlichen Muskeln“ können mit sogenannten elektroaktiven Polymeren (EAP) realisiert werden.

Dielektrischen Elastomere sind die bedeutendste Gruppe unter den elek-troaktiven Polymeren. Sie eignen sich nicht nur für die Herstellung von Aktoren, sondern beispielsweise auch für Sensoren oder für die Stromerzeugung. In etlichen Projekten haben Forschungsinstitute die Machbarkeit solcher Bauteile und Funktionseinheiten belegt. In vielen Industriebranchen besteht deshalb großes Interesse an dieser Technologie. Allerdings war es bislang schwierig, Bauteile auf der Basis von dielektrischen Elastomeren in größeren Stückzahlen zu realisieren. Es fehlen vor allem elastische Polymere mit Werkstoffeigenschaften, die für solche Anwendungen optimiert sind und sich problemlos weiterverarbeiten lassen.

Dem Münchner Chemiekonzern Wacker ist es nun gelungen, Präzisionsfolien aus Silikon herzustellen, die als dielektrisches Medium für den Einsatz in EAP-basierten Aktoren, Sensoren und Generatoren geeignet sind. Die elastische und extrem dünne Folie ermöglicht den Einstieg in die Massenfertigung von EAP-Bauteilen, aber auch in Anwendungen jenseits der EAP-Technologie, beispielsweise als funktionale Membran oder im Bereich der Wundpflege.

Dielektrische Eigenschaften

Silikonelastomere gehören mit ihren dielektrischen Eigenschaften zu den elektroaktiven Polymeren (EAP). Sie sind somit in der Lage, unter bestimmten Voraussetzungen auf elektrische Stimulation zu reagieren. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Elastomer als dünne dielektrische, nicht leitende Schicht zwischen zwei Elektroden liegt. Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird, verändert sich die Elastomerfolie. Diese Eigenschaft macht Silikone für elektroaktive Schlüsseltechnologien besonders interessant. Mithilfe von EAP-Folien lassen sich beispielsweise verformbare Kondensatoren herstellen. Dazu werden die Folien auf der Ober- und Unterseite mit einem flexiblen, elektrisch leitfähigen Material beschichtet. Liegt eine Gleichspannung an, ziehen sich die Elektroden infolge ihrer entgegengesetzten Aufladung elektrostatisch an und drücken das weiche Folienmaterial zusammen. Die Elastomerschicht wird dünner, dehnt sich aber zugleich in der Ebene aus. Folge: Der Kondensator wird insgesamt flacher und „breiter“. Im entladenen Zustand nimmt die Elastomerfolie infolge ihrer Elastizität wieder ihre ursprüngliche Gestalt an. Der gesamte Vorgang verläuft geräuschlos und lässt sich beliebig oft wiederholen.

Sensoren, Aktoren, Generatoren

Da sich die Verformung des Kondensators gezielt steuern lässt, werden EAP-Folien beispielsweise in Aktoren eingesetzt, die elektrische Spannung in Bewegung umsetzen. Dieser Mechanismus lässt sich aber auch umdrehen: EAP-Folien können dann aus mechanischer Bewegung Strom erzeugen. EAP-Technologien eignen sich folglich auch für Sensoren oder neuartige Generatoren.

Wie hoch die Aktivierungsspannung eines dielektrischen Elastomeraktors sein muss, hängt vor allem von der Foliendicke ab: Je dünner die Elastomerfolie, desto niedriger die Spannung. Bei den derzeit in der Entwicklung befindlichen Aktoren liegen die Folienstärken typischerweise zwischen 20 und 60 Mikrometer. Das ist deutlich dünner als ein menschliches Haar. Gearbeitet wird mit Spannungen von einigen Kilovolt. Bei solchen Spannungen nimmt die Schichtdicke der Folie materialabhängig um etwa 5 bis 30 Prozent ab. Gleichzeitig vergrößert sich die Fläche typischerweise um bis zu 50 Prozent.

Liegt Spannung an, verändert sich eine einzelne Aktor-Basiseinheit nur um wenige Mikrometer. Für die technische Nutzung ist das zu wenig. Werden jedoch die Basiseinheiten in großer Zahl übereinandergestapelt und elektrisch parallelgeschalten, ergeben sich Effekte in einer Größenordnung von mehreren Millimetern oder sogar Zentimetern. Mithilfe solcher Stapel oder „Stacks“, die in beliebiger Form angeordnet werden können, lassen sich also vielfältige Bewegungsformen erzeugen.

Anwendungen mit EAP-Aktoren rücken in greifbare Nähe

Die Eigenschaften der Silikonfolien entsprechen exakt den Anforderungen der EAP-Technologie. Zudem brauchen die Hersteller von dielektrischen Elastomeraktoren die benötigten dünnen Folienstücke nicht mehr mühsam Stück für Stück herzustellen. Als Rollenware wird Elastosil Film in großen Serien produziert. Das könnte der EAP-Technologie langfristig zum Durchbruch verhelfen. Eine wichtige Rolle spielt auch die außergewöhnlich hohe Beständigkeit der Folien. Ihre dielektrischen, mechanischen und elastischen Eigenschaften sind weder von der Höhe der anliegenden Spannung noch von der Temperatur abhängig. Sie verändern sich auch nicht im Laufe der Zeit – ein Vorteil der Silikonfolien gegenüber dielektrischen Folien aus organischen Kunststoffen. Das Silikontypische Eigenschaftsprofil der Folien macht die EAP-Bauteile robust, langlebig und wartungsarm. Laborprüfungen zeigen, dass Silikonfolien über zehn Millionen Druckbelastungszyklen ohne geringste Materialermüdung überstehen.
Einige Anwendungen stehen bereits kurz vor dem Sprung in die Massenfertigung.

So rechnen Experten damit, dass Relais, Schalter und Ventile auf der Basis von dielektrischen Elastomeraktoren innerhalb der nächsten zwei bis fünf Jahre auf den Markt kommen werden. Auch in der Automobilindustrie steht der Einsatz von EAP-Aktoren bevor, wo sie elektrische Stellmotoren ersetzen könnten. EAP-Aktoren wiegen wenig, lassen sich präzise regeln und arbeiten äußerst effizient. Das hat sich insbesondere in der Elektrobranche herumgesprochen, die zunehmend auf EAP-Aktoren setzt. Im Unterschied zu herkömmlichen elek-tromagnetischen Relais benötigen EAP-Relais nur während des Schaltvorgangs Strom. Da Relais in unzähligen Geräten und Einrichtungen vorhanden sind, besteht hier ein großes Energie-Einsparpotenzial. Auch die Ventiltechnik könnte von der EAP-Technologie profitieren. So lässt sich der Durchfluss eines Fluids mithilfe von EAP-basierten Aktoren exakt einstellen, was mit einem herkömmlichen Fluidventil nicht ohne Weiteres möglich ist.

Auch Systeme zum sogenannten Energy-Harvesting zeichnen sich am Horizont ab. Aktuell arbeitet ein Industriekonsortium unter der Leitung der Robert Bosch, Gerlingen-Schillerhöhe an der Entwicklung sogenannter Meereswellengeneratoren: Die mit Stacks aus leitfähig beschichteten dielektrischen Silikonfolien bestückten Generatoren werden in nicht allzu ferner Zukunft die Auf- und Abwärtsbewegung der Wellen nutzen, um Strom zu erzeugen. Da die Geräte ohne hy-draulische Komponenten und Turbinen auskommen, sind sie nahezu wartungsfrei und damit deutlich kostengünstiger zu betreiben als herkömmliche Wellenkraftwerke mit ihren hydraulisch bewegten Teilen. An dem vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „Elastische Polymere auf Silikonbasis zur Energiegewinnung“ (Eposil) wirkt auch Wacker aktiv mit.

In etwas fernerer Zukunft ist auch mit solchen EAP-Anwendungen zu rechnen, in denen komplexe Bewegungsabläufe erzeugt werden. Forschern ist es beispielsweise bereits gelungen, verformbare Touchscreens zu entwickeln, die Blinde mit den Händen lesen können, oder Luftschiffe, die sich wie Fische bewegen.

Blick in die Zukunft

Prinzipiell lassen sich auch adaptive Rotorblätter für Windkraftanlagen realisieren, die sich den jeweiligen Windverhältnissen anpassen, oder Flugzeugtragflächen, die je nach Flugsituation die optimale Form annehmen. Mit den neuen Silikonfolien lassen sich außerdem Peristaltikpumpen herstellen, die viskose oder mit empfindlichen Partikeln beladene Flüssigkeiten sehr schonend fördern. Denkbar sind auch neuartige Fußbodensensoren oder medizinische Anwendungen, etwa in der Prothetik.

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Über den Autor

Florian Degenhart ist verantwortlich für die Fach- und Wissenschaftspresse bei Wacker Chemie in München. florian.degenhart@wacker.com