Ausblick F&E – Förderprojekt PIA

Das Projekt PIA, „Polymer Integrations-Aktor“, zielt darauf ab, neuartige Polymeraktoren für ein weites Feld an Anwendungen nutzbar zu machen.
EAP (Elektroaktive Polymere) versprechen kostengünstige, energieeffiziente, recyclebare Aktuierung ohne Verwendung z.B. seltener Erden (Elektromotoren). Leider bieten EAP allein, in der heutigen Form, nur eine geringe Energiedichte, die eine breite Nutzung einschränkt.

EAP werden im PIA-Projekt derart modifiziert, dass sie eine Leistung von über 10 W zur Verfügung stellen können. Der so entstandene Aktor soll mit einem mikrofluidischen Integrator gekoppelt werden, um für eine breites Anwendungsfeld mit hohen Kraft- und Weganforderungen einen kompakten, gewichtsoptimierten Aktor bieten zu können.

Die Kombination aus bisher kaum nutzbaren EAP und der MetisMotion Kernkompetent mikrofluidische Integratoren ermöglicht daher völlig neue Aktoreigenschaften:

• Hohe Kraftdichte und gute Miniaturisierbarkeit basierend auf standard EAP-Aktoreinheit
• Hohe Effizienz
• Vollständige Recyclingfähigkeit
• Unabhängigkeit von seltenen Erden oder RoHS relevanten Schadstoffen

So erweitern wir bereits bestehende Eigenschaften unserer naXture Technologie:

• Hohe Steifigkeit
• Variable Impedanz
• uvm.

Bei Kleinstantrieben werden zurzeit überwiegend elektromagnetische Antriebe verwendet. Diese bestehen aus einem Motor und einem Miniaturgetriebe, um die Drehmomente bzw. Kräfte zu erhöhen bzw. die Geschwindigkeit zu verringern. Diese haben den Vorteil geringerer Kosten aufgrund der hohen gefertigten Stückzahlen. Ein Nachteil dieser Antriebe ist allerdings, dass die Kraftdichte gering ist. Zusätzlich ist die Robustheit sehr eingeschränkt, insbesondere wenn mechanische Impulse von außen auf den Antrieb wirken. Des Weiteren ist die Effizienz der elektromagnetischen Antriebe aufgrund des hohen Joule Effekt (Stromwärmegesetz) in der betrachteten Leistungsklasse (<30W) sehr gering.

Pneumatische Antriebe gehören ebenfalls zum Stand der Technik. Diese haben Kostenvorteile und können prinzipiell gut skaliert werden. Allerdings benötigen diese eine Zuführung mittels Schläuchen und Rohren, eine Drucklufterzeugung über eine Pumpe sowie eine Steuerung mittels Ventilen, was hohe Bauraumanforderungen nach sich zieht. Außerdem ist die Steifigkeit gering und verglichen mit anderen Aktorkonzepten sind die resultierenden Kräfte deutlich kleiner.

Zusätzlich ist die Regelbarkeit bei pneumatischen Antrieben eine große Herausforderung. Auch verfügen pneumatische Aktorsysteme im Durchschnitt nur über einen elektro-mechanischen Wirkungsgrad von 10-15% und sind damit langfristig in vielen Fällen, bei Betrachtung von Nachhaltigkeitsaspekten, nicht mehr nutzbar.

Darüber hinaus verursachen pneumatische Antriebe einen hohen Wartungsaufwand, sowie eine Umweltbelastung durch Ölstaub, da die Luft während der Komprimierung häufig mit Öl versetzt wird.

Pneumatische Antriebe werden daher bei vielen Applikationen zunehmend durch elektrische Antriebe ersetzt. Beispiele hierfür sind die Luftfahrt- und Automobilindustrie, sowie die Automatisierungstechnik – insbesondere die Greiftechnik.

1) Die Energieeffizienz bei nicht linearen Kraft-/Weganforderungen:
Während elektromagnetische Antriebe eine hohe Effizienz bei linearen Kraft-/Wegzusammenhängen aufweisen, reduziert sich diese massiv, sobald nicht-lineare Eigenschaften benötigt werden. Dies widerspricht allerdings der Natur einer Vielzahl von Anwendungen (z.B. beim Greifen von Objekten).
Aktuell sorgt dies zum einen, für eine Überdimensionierung von Antrieben (sie werden groß und schwer) und zu anderen, für ein massives Problem in Bezug auf das thermische Management von Systemen. Kühleinrichtungen werden notwendig und erhöhen weiter die Komplexität des Systems.
PIA stellt einen nahezu gleichbleibend geringe Verluste, unabhängig von der Linearität der Kraft-/Wegcharakteristik, zur Verfügung. Damit können deutlich kleinere Aktoren verbaut werden sowie thermische Probleme bereits im Ansatz vermieden werden.
Darüber hinaus sorgen die geringen Verluste für eine bessere Nutzbarkeit in Batteriebetriebenen, mobilen Systemen. Diese eröffnet neue, heute noch nicht wirtschaftlich umsetzbare Anwendungsfelder in der Robotik.

2) Die variable Steifigkeit des Systems:
Elektromotorische und pneumatische Systeme stoßen heute schnell an Grenzen, wenn es um die Einstellbarkeit von Steifigkeiten bzw. Weichheiten von Systemen geht. Häufig ist es aber insbesondere in der Robotik und Automatisierungstechnik notwendig, bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine oder bei Kontakt mit Objekten einstellen zu können, wie „steif“ ein System reagiert, um sowohl das System als auch den Menschen oder das manipulierte Objekt voreinander zu schützen und Schäden oder Verletzungen zu verhindern.
Dieser Eigenschaft kommt eine Schlüsselrolle bei der Akzeptanz autonomer Systeme zu – der Anwender muss sich darauf verlassen können, dass er nicht vom System verletzt wird, und das System muss in der Lage sein, seine Umwelt, und unvorhergesehene Situationen schadlos zu überstehen.