Silikonlaminate – unsichtbar, aber fühlbar

Sie richten Scheinwerfer aus, fahren Seitenspiegel in die richtige Position oder regulieren die Lautstärke des Radios: Rund 300 Aktuatoren führen im Auto unterschiedlichste Funktionen aus – vom Antriebsstrang bis zur Zentralverriegelung. Die Einheiten nutzen elektrische Impulse, um sie in Bewegung umzuwandeln. Aber nicht nur im Automobil, auch in der Robotik, der Elektroindustrie oder der Medizintechnik spielen Aktuatoren eine große Rolle. Vor allem neuartige Varianten, die auf elektroaktiven Polymeren basieren, stoßen in diesen Branchen aufgrund ihrer positiven Eigenschaften zunehmend auf Interesse.

Der Chemiekonzern Wacker hat seit 2013 unter dem Markennamen Elastosil eine hauchdünne Präzisionsfolie aus Silikon auf dem Markt. Jetzt setzt das Unternehmen diese Technologie auch in konkrete Produkte um. Mit der Fertigung von Laminaten vollzieht der Hersteller eine vertikale Integration und bewegt sich damit auf der Wertschöpfungskette einen Schritt vorwärts in Richtung industrieller Anwendung.

Vertikale Integration

Silikonelastomere zählen aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaften zu den elektroaktiven Polymeren, kurz EAP. Wenn jeweils eine einzelne dünne Folie zwischen zwei Elektroden eingebettet ist, entsteht ein Laminat. Wird an diesen flächig miteinander verbundenen Schichten elektrische Spannung angelegt, entsteht ein flexibler Kondensator. Die Elektroden ziehen sich infolge ihrer entgegengesetz­ten Ladung elektrostatisch an und verformen die dazwischenliegende Silikonfolie. Der Kondensator wird auf diese Weise insgesamt dünner, aber auch großflächiger. Im entladenen Zustand nimmt das elastische Laminat wieder seine ursprüngliche Gestalt an.

Dieser gesamte Vorgang verläuft geräuschlos und lässt sich millionenfach wieder­holen. Da sich die Verformung gezielt steuern lässt, eignen sich solche EAP-Laminate als Aktuatoren, die elektrische Spannung in mechanische Bewegung umsetzen. Umgekehrt können sie aus mechanischer Bewegung – beispielsweise durch den Druck eines Fingers – kapazitive Veränderungen erzeugen. Sie lassen sich somit auch als Sensoren einsetzen. Auch neuartige Generatoren sind möglich.

Vorteile von EAP-Laminaten

Dass solche Laminate sowohl als Sensoren als auch als Aktuatoren verwendet werden können, veranschaulichen erste Smartphone-Prototypen, die auf einer Konstruktion mit EAP-Elementen befestigt sind. Bei der Berührung bestimmter Stellen bewegen diese das Gerät geringfügig, aber sehr schnell auf und ab. Dadurch entsteht der Eindruck von einer geriffelten Oberfläche oder sogar von Tasten, die eigentlich gar nicht vorhanden sind.

Solche Schaustücke demonstrieren nicht nur die Funktion der Laminate und der integrierten elektroaktiven Polymere. Sie zeigen auch die Potenziale auf, die ein solches haptisches Feedback für diverse Anwendungen bietet. Beispielsweise können Autofahrer Bedienelemente in der Mittelkonsole durch Ertasten besser finden – ganz ohne Blickkontakt. Die Aktuatorelemente ermöglichen zudem größere Designfreiheit ‒ es können dünnere oder schmälere Bauformen im Vergleich zu Magnetventilen realisiert werden. Auch die „fühlbaren“ Knöpfe lassen sich beliebig gestalten: sie können eckig, rund oder in jeder beliebigen Form realisiert werden, je nach Algorithmus der jeweiligen Programmierung.

Das Produkt besteht aus ultradünnen, mit Elektroden beschichteten Präzisionsfilmen und kann als Aktuator Bewe¬gungen ausführen oder als Sensor mechanische Verformungen messen. (Photo: Wacker)

EAP-Aktuatoren aus Silikonlaminaten sind außerdem sehr kompakt. Sie brauchen bis zu 30 Prozent weniger Platz und sind bis zu 40 Prozent leichter als konventionelle Bauelemente, je nach Auslegung und Design. Auch ihr Energie-bedarf ist gering: Im Vergleich zu konventionellen Aktuatoren benötigen sie weniger als zehn Prozent der gesamten elektrischen Energie. Damit sind sie äußerst energiesparend und nachhaltig. Dies und ihre geräuschlose Funktionsweise machen das innovative Laminat zu einem geradezu idealen Bauteil nicht nur für Elektrofahrzeuge.

Von der Silikonfolie zum Laminat

Zur Herstellung von Nexipal-Laminaten werden hochpräzise Silikonfilme benötigt. Wacker produziert solche Filme in Stärken zwischen 20 und 400 Mikrometern, wobei die Dicke über die gesamte Breite weniger als fünf Prozent schwankt. Diese Homogenität ist ausschlaggebend für ein gleichmäßiges elektrisches Feld. Nur dadurch ist gewährleistet, dass die Laminate optimal und zuverlässig funktionieren.

Der Elastosil Film besteht zu 100 Prozent aus additionsvernetzendem Silikonkautschuk. Um Verschmutzungen auszuschließen, erfolgt die Produktion im Reinraum. Die Folien sind, wie alle Silikonkautschuke, hitze- und UV-beständig, kälteflexibel und chemisch inert. Zudem sind sie extrem elastisch und leiern nicht aus. Tests zeigen, dass der Film mehr als zehn Millionen Druckbelastungszyklen ohne Materialermüdung übersteht.

Als der Anbieter 2013 mit der Herstellung von solchen Silikonfolien begann, betrat das Unternehmen in gewisser Weise Neuland. Bis dahin hatte der Chemiekonzern sich darauf beschränkt, Silikonkautschuke als unvernetzte Rohstoffe auf den Markt zu bringen. Im Fall der Silikonfilme war eine Nachfrage nach weiterverarbeiteten Halbzeug, ein EAP-Laminat, festzustellen. Deshalb entschied sich der Konzern, diese Lücke in der Verarbeitungskette selbst zu schließen.

Die Experten des Herstellers haben sich inzwischen intensiv mit den technischen Anforderungen, die beispielsweise mechatronische Systeme an EAP-Bauteile stellen, auseinandergesetzt und entsprechendes Know-how aufgebaut. Derzeit entsteht eine Produktionsanlage für EAP-Laminate. Es handelt sich um vorkonfektionierte EAP-Komponenten, die vom Anwender lediglich mit der notwendigen elektrischen Anbindung versehen werden müssen. Voraussichtlich Ende 2020 sollen die ersten Nexipal-Komponenten vom Band laufen.

Bei der Herstellung der Laminate wird der bestehende Silikonfilm mit einem speziel­len leitfähigen Material beschichtet. Letzteres fungiert als Elektrode. Die neue Anlage kann mehrere solcher Schichten produzieren. Größe und Form des Lami­nats sind flexibel, unter anderem auch weil das Elektrodendesign kundenspezifisch bestellt werden kann. EAP-Bauteile lassen sich beispielsweise auch als Streifen herstellen. Diese können die Kunden anschließend zum Beispiel in gerollte Aktuatoren überführen.

Bei der Entwicklung des Produktionsprozesses gab es einige Herausforderungen zu bewältigen. So dürfen die wie ein Sandwich aufgebauten EAP-Bauteile keine Lufteinschlüsse zwischen den einzelnen Lagen aufweisen. Auch die Handhabung der hauchdünnen Folien innerhalb des Beschichtungsprozesses war ein komplexes Unterfangen.

Wie stark sich EAP-Aktuatoren zusammenziehen können und welche Auslenkung sie durch diese leisten, hängt von mehreren Faktoren ab. Eine große Rolle spielt dabei die sogenannte Ansteuerspannung, die an der EAP-Komponente anliegt. Aus diesem Grund müssen Silikonfolien möglichst dünn sein. Je dünner der Film, desto niedriger kann die angelegte Spannung sein, um den gewünschten Bewegungs­effekt zu erzielen. Deswegen arbeitet der Hersteller daran, die Foliendicke weiter zu reduzieren.

Intelligentes Design

Auch durch die Verwendung qualitativ hochwertiger Elektroden und durch ein intelligentes Design der EAP-Komponente lässt sich die notwendige Spannung reduzieren. Eine weitere Möglichkeit, um die Spannung zu reduzieren, besteht in der Erhöhung der Permittivität von Silikonfolien, beispielsweise im Dotieren mit speziellen Partikeln. Zudem können mithilfe von Federkonstruktionen Bauteile hergestellt werden, die eine beträchtliche Auslenkung erreichen.

Neben den bereits erwähnten Vorteilen weisen EAP-Aktuatoren einen weiteren Pluspunkt auf: Sie lassen sich wie künstliche Muskeln einsetzen, die – im Gegensatz zu Magnetventilen – in der Lage sind, fließende Bewegungen durchzuführen. Diese Eigenschaft macht Silikonlaminate nicht nur für die Automobil- und Elektroindustrie interessant, sondern auch für die Medizintechnik, Sensorik und Robotik. Sogar im Bereich der gedruckten Elektronik finden die Silikon-Sandwiche Anwendung.

Ob als Bestandteil von biomimetischen Robotern, portabler Medizintechnik oder Instrumenten zur Mensch-Maschine-Kommunikation: Elektroaktive Silikonlaminate sind in vielen zukunftsträchtigen Anwendungen denkbar.

Funktionsweise eines Aktuators und Sensors aus Silikonfolien-Laminat

Dank ihrer elektroaktiven Eigenschaften können Laminate aus Silikonfolien als Aktuatoren oder als Sensoren eingesetzt werden. Aktuatoren sind antriebstechni­sche Bauelemente, die ein von der Steuerelektronik ausgegebenes elektrisches Signal in mechanische Bewegung umsetzen. Sensoren funktionieren nach ähnlichem Prinzip: Mechanische Bewegungen werden kapazitiv gemessen.