Dämpfen von Schwingungen mit elektroaktiven Elastomeren

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Der Demonstrator hat 50 aktive, jeweils 140 µm dicke Schichten und eine Grundfläche von 60 mm × 60 mm. Mit einer Ansteuerspannung von 1,5 kV sind quasistatische Dehnungen von mehreren Prozent möglich. Wird die Dicke der Schichten reduziert, ist laut Fraunhofer LBF ein zusätzlicher Leistungsanstieg zu erwarten.

Mechanische Anbindung der Elastomere an die Umgebung ohne Leistungsverlust

Zum Anlegen der elektrischen Spannung kommen beim Stapelaktor dünne, metallische Elektroden zur Anwendung, die fein perforiert sind (Bild 2 – siehe Bildergalerie). Baut sich das elektrostatische Feld auf, kann das elektroaktive Elastomer lokal in diese Perforierungen – Mulden – entweichen (Bild 3). Voraussetzung dafür ist die Kompressibilität des Aufbaus.

Die gute elektrische Leitfähigkeit der Elektroden ist für die Minimierung resistiver Verluste verantwortlich. Sind die Verluste weitgehend minimiert, kann der Aktor bei höheren Frequenzen betrieben werden. Weil die Elektroden dehnstarr sind, ist laut Fraunhofer LBF eine mechanische Anbindung an die umgebende Struktur ohne Leistungsverlust möglich.

Anwendungspotenzial reicht über Schwingungsdämpfer hinaus

Über die Lochgeometrie und die Lage der Elektroden zueinander wird die Aktorleistung eingestellt. Numerische Modelle und Optimierungsverfahren sollen helfen, eine für die jeweilige Anwendung optimierte Geometrie zu berechnen und umzusetzen.

Das Ergebnis ist ein Wandler, der sich nicht nur als aktives Dämpfungs-, sondern auch als Sensor- oder Generatorelement verwenden lässt – oder als passive Dämpfungskomponente mit adaptiver Steifigkeit: Bei Anlegen einer elektrischen Spannung kommt es aufgrund der vergrößerten Kontaktflächen zu einer Steifigkeitszunahme, die beispielsweise zur Verstellung eines adaptiven Tilgers genutzt werden kann – aber auch zu einer deutlichen Steigerung der Ladungskapazität der Elektroden. Die erhöhte Kapazität lässt sich sensorisch oder zur Generierung elektrischer Energie nutzen.

Damit sind insbesondere Anwendungen im Bereich Energy-Harvesting (Energie ernten) mit kleinen Amplituden denkbar – der Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Vibrationen. Aber auch die Nutzung großer Bewegungen, beispielsweise von Meereswellen, zur elektrischen Energieerzeugung hält man mit Wandlern aus elektroaktiven Elastomeren für möglich.

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