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Hannover Messe, 31. März bis 4. April, Halle 2, Saarland-Stand B10
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Die Folie ist fast so dünn wie Frischhaltefolie und ein wahrer Tausendsassa. Mit ihr kann das Team der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki von der Universität des Saarlandes den Dingen auf energiesparende Weise neue Fähigkeiten verleihen. Auf Textilien angebracht, macht sie den eigenen Körper in der virtuellen Realität etwa von Computerspielen spürbar. Indem sich die Folie bewegt und mit wohl dosierter Kraft drückt, überträgt sie Berührungsempfindungen auf die Haut. Als dehnbare Schicht im Arbeitshandschuh gibt sie weiter, wie Hand und Finger sich bewegen und lässt den Computer Gesten verstehen. Auf flache Displays zaubert die Folie Knöpfe, Schalter oder Schieberegler, die auftauchen und wieder verschwinden. Sogar stromsparende leichte Lautsprecher, Signalgeber oder schallschluckende Textilien zählen zu den Prototypen, die die Experten für smarte Materialsysteme an der Universität und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) entwickeln.
Mithilfe elektrischer Spannung kommt Leben in die Folie. „Auf beiden Seiten ist sie mit elektrisch leitfähigen Elektroden beschichtet“, erklärt Paul Motzki, Professor für smarte Materialsysteme für innovative Produktion und Zema-Geschäftsführer. Legen die Forscherinnen und Forscher hier eine elektrische Spannung an, ziehen sich die beiden gegenüberliegenden Elektrodenschichten durch elektrostatische Kraft an. Dadurch drückt sich die Folie in ihrer Dicke zusammen und wird in ihrer Fläche größer. „Indem wir das elektrische Feld verändern, können wir die Bewegungen der Folie steuern. Sie wird auf diese Weise zu einem leichten, aber effizienten Motor“, erklärt Paul Motzki. Die Forscher können die Folie, ein sogenanntes dielektrisches Elastomer, langsame und schnelle Hub-Bewegungen verrichten oder sie vibrieren lassen. Außerdem hält die Folie kraftvoll jede gewünschte Stellung – letzteres ohne Strom zu verbrauchen.
Mit den Folien entwickelt das Forschungsteam Antriebe, die keine Sensoren brauchen. „Jede Verformung der Folie lässt sich einem Messwert der elektrischen Kapazität zuordnen. Wir können an den Messwerten ablesen, wie sie sich verformt, etwa, wenn über sie gestrichen wird. Die Funktion eines Positionssensors ist also gleich in der Folie selbst mitenthalten“, erläutert Paul Motzki. Anhand der Messwerte programmieren die Forscherinnen und Forscher mit Künstlicher Intelligenz präzise Bewegungsabläufe und lassen die Folie schwingen, klopfen oder erstarren.
Jetzt bekommt die Folie noch mehr Power – auch für neue Anwendungsmöglichkeiten. Sie soll noch stabiler ansteuerbar werden und noch hochfrequenter vibrieren: Ziel ist nicht weniger als Ultraschall. In einem neuen Projekt namens TransDES (Erforschung von Transistorstrukturen auf der Basis flexibler Dielektrischer Elastomer Systeme), das vom Saarland und mit Mitteln des EU-Investitionsfonds EFRE gefördert wird, streben die Forscherinnen und Forscher sogar nach mehr: Ihre Vision ist eine Elastomer-Platine für Hochspannung. Platinen sind die Basis der meisten Elektrogeräte. Auf diese flachen, heute starren Leiterplatten wird all das aufgelötet, was technische Geräte vom Mixer bis zum Smartphone können müssen. Geht es nach dem Willen der Saarbrücker Forscher, sollen in Zukunft leichte und flexible Folien-Platinen die Logik der Technik enthalten und Elektrogeräten kostengünstiger signalisieren, was sie tun sollen. Minimotoren mit Sensoreigenschaft wären dann gleich in der Folienplatine mit integriert.
Bei dieser Forschung arbeitet das Team von Paul Motzki am Zema mit dem Team von Professor John Heppe von der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar) zusammen. Die Technologieentwicklung ist weltweit einzigartig.
Die Folie erhält dafür eine neue Beschichtung, also neue Elektroden. Bislang besteht die elektrisch leitfähige Schicht auf der Folienoberseite und -unterseite aus Ruß, also Kohlenstoff, der im Siebdruckverfahren aufgedruckt wird. Der elektrische Widerstand, der den Strom bremst, wenn er durch diese Beschichtung fließt, ist hier mit etwa 10.000 Ohm recht hoch – viel zu hoch, soll die Folie im Ultraschallbereich schwingen.
Stattdessen sollen nun ultrafeine, besser leitende Metallschichten den Folien-Minimotor ultraschnell an- und abschalten. „Dadurch können wir weit mehr aus der Folie herausholen“, erklärt Doktorand Sebastian Gratz-Kelly. „Auch bei sehr hohen Frequenzen können wir die gesamte Folienfläche nutzen und ansteuern, nicht nur Teile davon. Die Folie wird energieeffizienter, Energieverluste sind geringer, auch dadurch, dass der Übergangswiderstand von Kabel zu Folie geringer ist. Mit einem speziellen Laserverfahren erreichen wir außerdem eine wesentlich kleinere Strukturgröße der Beschichtung“, erklärt der Forscher, der an den smarten Folien arbeitet. „Wir können hierdurch Elektroden im Abstand weniger Mikrometer anbringen, statt wie bisher mit dem Siebdruck im Bereich von etwa einem Zentimeter. Dies macht neue Anwendungen möglich wie etwa eine Elastomer-Platine“, ergänzt Paul Motzki.
Die Herausforderung ist, dass sich die gesamte Folie mitsamt der neuen Metallschichten stark dehnen muss – ein offensichtlicher Widerspruch. Hier kommt das Team von John Heppe ins Spiel. Der Professor für physikalische Sensorik und Mechatronik der htw saar forscht mit seiner Arbeitsgruppe ebenfalls am Zema: An diesem Forschungszentrum arbeiten beide Hochschulen zusammen, um Forschungsergebnisse in die Praxis zu bringen. Heppes Team schafft den Spagat zwischen dem Festkörper Metall und der dehnbaren Folie. Sie bringen hierzu einen Hauch von Metall mit einem speziellen Beschichtungsverfahren auf. „Wir nutzen dabei das sogenannte Sputter-Verfahren. Die leitfähige Schicht, die wir auf dem Elastomer aufbringen, ist mit zehn Nanometern mehr als tausendmal so dünn wie ein Haar“, sagt Mario Cerino, Wissenschaftler im Team von John Heppe.
Der Trick dabei: Die Forscher dehnen das Elastomer und beschichten dann mit der ultradünnen Metallschicht. Den Effekt kennt jeder, der schon mal einen aufgeblasenen Luftballon mit Klebestreifen beklebt hat: Lässt man die Luft raus aus dem Ballon, schnurrt der Klebestreifen wellig zusammen. Ähnliches passiert auch auf der Folie: Die Metallschicht schlägt Falten und das Elastomer hat dadurch Spielraum, um sich auszudehnen. „Wir erreichen auf diese Weise einen Widerstand von 50 bis 100 Ohm auf einer Fläche von zum Beispiel einem Quadratzentimeter, also erheblich niedriger als bisher“, sagt Mario Cerino.
Derzeit arbeiten die Forscher daran, mit den Folien energieeffiziente und kostengünstige Transistoren auf Silikonbasis zu entwickeln, also elektronische Bauelemente, die elektrische Spannungen und Signale an- und abschalten oder verstärken – und zwar, das ist ihr Ziel: für Hochspannung. „Wie bei einem Wasserhahn, aus dem mehr Wasser fließt, wenn man ihn weiter öffnet, können wir aufgrund des jetzt geringen Widerstandes mehr Strom fließen lassen. So wird auch eine Hochspannungsschaltung möglich für extrem schnelle Schaltzyklen wie beispielsweise für Ventile, Pumpen oder Lautsprecher“, erläutert Mario Cerino. „Wir nutzen hierbei einen besonderen Effekt“, erläutert Professor John Heppe. „Wird die Folie mit der Elektrode weiter gedehnt als bei ihrer Beschichtung, entstehen Risse in der Elektrode. Hierdurch steigt der elektrische Widerstand stark an. Dehnt sich die Folie, zeigen sich die Risse. Entspannt sie sich, bilden sich Falten: Die Risse schließen sich wieder. Wir können damit von sehr niedrigen Widerständen zu sehr hohen Widerständen umschalten, vergleichbar mit einem Transistor als elektrischer Schalter“, erklärt John Heppe.
Die Forscher demonstrieren ihre Technologie auf der Hannover Messe unter anderem anhand eines neuen Sensorelements mit metallbeschichteter Folie auf einem Stoff-Armband. Dieses berührungsempfindliche Touchpad kann Formen erkennen, die auf ihm gezeichnet werden: Der mit der neuen Beschichtung intelligent gewordene Stoff erfasst Druck und Bewegungsrichtung des Fingers und kann mithilfe maschinellen Lernens und Künstlicher Intelligenz Buchstaben und Formen erraten.
Außerdem zeigen die Saarbrücker Expertinnen und Experten für intelligente Materialsysteme weitere Entwicklungen mit dielektrischen Elastomeren, etwa smarte Textilien und Aktoren für haptisches Feedback, Ventile, Pumpen sowie Hochleistungsaktoren.
Das Saarland fördert das TransDES-Projekt mit rund 500.000 Euro aus Landesmitteln und Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).
Aktuelle Veröffentlichung zum Thema: https://doi.org/10.3390/ma17235993
Hintergrund:
An der Technologie der dielektrischen Elastomere forschen im Team der Professoren Stefan Seelecke, Paul Motzki und John Heppe auch viele Nachwuchs-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler im Rahmen mehrerer Doktorarbeiten. Sie ist Gegenstand zahlreicher Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und wurde in mehreren Forschungsprojekten gefördert: unter anderem von der EU im Rahmen eines Marie-Curie Research Fellowships, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des DFG Priority Programms SPP KOMMMA, von der saarländischen Landesregierung im Rahmen der EFRE-Projekte iSMAT und Multi-Immerse sowie unter anderem auch durch die MESaar im Rahmen eines Promotionskollegs.
Die Forscher wollen die Ergebnisse ihrer anwendungsorientierten Forschung in die Industriepraxis bringen. Hierzu haben sie aus dem Lehrstuhl heraus die Firma mateligent GmbH gegründet, die ebenfalls am Stand auf der Hannover Messe vertreten sein wird.
Fragen beantwortet:
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki: T:+49 (681) 85787-13; E: paul.motzki(at)uni-saarland.de
https://imsl.de – Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme
https://smip.science –Professur Smarte Materialsysteme für innovative Produktion
https://imsl.de/projekte – Infos und Videos zu Forschungsprojekten
https://zema.de – Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA)
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