Characterization, fabrication, and analysis of soft dielectric elastomer actuators capable of complex 3D deformation

Inspired by nature, the development of soft actuators has drawn large attention to provide higher flexibility and allow adaptation to more complex environment. This thesis is focused on utilizing electroactive polymers as active materials to develop soft planar dielectric elastomer actuators capable of complex 3D deformation. The potential applications of such soft actuators are in flexible robotic arms and grippers, morphing structures and flapping wings for micro aerial vehicles. The embraces design for a freestanding actuator utilizes the constrained deformation imposed by surface stiffeners on an electroactive membrane to avert the requirement of membrane pre-stretch and the supporting frames. The proposed design increases the overall actuator flexibility and degrees-of-freedom. Actuator design, fabrication, and performance are presented for different arrangement of stiffeners. Digital images correlation technique were utilized to evaluate the in-plane finite strain components, in order to elucidate the role of the stiffeners in controlling the three dimensional deformation. It was found that a key controlling factor was the localized deformation near the stiffeners, while the rest of the membrane would follow through. A detailed finite element modeling framework was developed with a user-material subroutine, built into the ABAQUS commercial finite element package. An experimentally calibrated Neo-Hookean based material model that coupled the applied electrical field to the actuator mechanical deformation was employed. The numerical model was used to optimize different geometrical features, electrode layup and stacking sequence of actuators. It was found that by splitting the stiffeners into finer segments, the force-stroke characteristics of actuator were able to be adjusted with stiffener configuration, while keeping the overall bending stiffness. The efficacy of actuators could also be greatly improved by increasing the stiffener periodicity. The developed framework would aid in designing and optimizing the dielectric elastomer actuator configurations for 3D prescribed deformation configuration. Finally, inspired by the membrane textures of bat wings, a study of utilizing fiber reinforcement on dielectric elastomer actuators were conducted for the mechanical and the coupled electromechanical characteristics. Woven fibers were employed on the surface of actuator membrane with different pre-deformed configurations. Experimentally, actuator stiffness changes were measured for up to four orders of magnitude. The orientation of embedded fibers controlled the level and the triggered phase of stiffness changes. A trade-off between the actuator stiffness and stroke could be controlled during the fabrication stage by the fiber orientation and the prestretch level of the base elastomer membrane. A simplified model using small-strain composite laminate theory was developed and accurately predicted the composite actuator stiffness. Additionally, compliant edge stiffeners were found had to present a marked overall effect on actuator electromechanical response. The developed simplified analytical solutions using Timoshenko-bimaterial laminate solution and composite laminate theory, as well as the developed finite element framework can be utilized in addressing more complex 3D deformation patterns and their electromechanical response

Dielektrische Elastomere - Grundlage für energieeffiziente und kompakte Antriebssysteme in dynamischen Schalt- und Fluidanwendungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Charakterisierung und anwendungsspezifischen Optimierung diverser Bauarten Dielektrischer Elastomeraktoren hinsichtlich Schnelligkeit, Energieeffizienz, Dynamik und Kompaktheit. Ein solcher Aktor ist ein mechatronisches Antriebssystem, das durch die Kopplung eines oder mehrerer Vorspannelemente und einer dielektrischen Elastomermembran bei Anlegen einer elektrischen Spannung Bewegungen ausführen kann. Innerhalb der Arbeit wird zunächst der Einsatz in einem elektrischen Schaltschütz untersucht. Das entwickelte Antriebssystem zeigt bei gesteigerter Performance eine erhebliche Effizienzsteigerung und benötigt lediglich 0,5% der Energie einer herkömmlich verwendeten Magnetspule. Außerdem wird im Rahmen dieser Arbeit ein quasistatisches Auslegeverfahren erweitert und an periodische Anwendungen wie haptische Displays, Vibrationsrinne und Pumpen angepasst. Nach erfolgreicher Validierung des neuen Schemas werden zwei Kompressoren mit unterschiedlicher Bauform entwickelt und validiert. Bei einem der Prototypen wird dabei der nahezu siebenfache Normvolumenstrom und 21-fache Maximaldruck im Vergleich zu der bis dahin leistungsstärksten DE-basierte Pumpen aus der Literatur erreicht. Zur Verbesserung der anwendungsspezifischen Skalierbarkeit wird schließlich innerhalb dieser Arbeit ein für die anwendungsspezifische Anpassung neuartiges Mehrlagenkonzept entworfen, das mit standardisierten Serienprozessen gefertigt werden kann.The present work focuses on experimental characterization and application-specific design optimization of different types of dielectric elastomer actuators. Such mechatronic drive systems obtained by combining a dielectric elastomer membrane with a mechanical pre-loading mechanism are capable to perform a stroke when applied a high voltage. By means of the developed design methodologies, dielectric elastomer actuators can be optimized in terms of speed, energy efficiency, dynamics, and compactness. In the first part of this thesis, the use of dielectric elastomer technology in a contactor is examined. The developed drive system shows considerable energy savings. With the same dynamic performance, it only requires 0.5% of the energy of the conventionally used magnetic coil. In the second part of the work, a quasi-static design method is expanded and adapted to dynamic applications, such as haptic displays, vibratory feeder, and compressors. After successful validation, two compressor prototypes based on actuators with different geometries are developed and validated. One of the prototypes achieves an almost seven times higher standard volume flow and 21 times higher maximum pressure, compared to the most powerful DE-based pump currently reported in the literature. To improve the application-specific scalability of DE actuators, a novel multilayer concept has also been designed within this work. In the future, it will allow manufacturing with standardized industrial processes

High-Performance Dielectric Elastomer Actuators

Dielectric elastomer actuators (DEAs) feature high energy efficiency, lightweight, design flexibility and the use of low cost materials and processes. This holds particularly true for membrane actuators, which, in addition to the dielectric elastomer comprise a separate biasing system. The particular design of the biasing system may dramatically improve the DEA performance, but at the same time, it adds complexity to such a design process. Therefore, in this work, a systematic design approach to adapt DEA systems to specific applications is developed. It allows calculation of all relevant design parameters and incorporates experimentally validated scaling laws to account for actuator geometry effects. Finally, the capability of the design process is illustrated at two examples. In the first one, the force output of circular membrane DEAs, which is typically in the hundreds of millinewton range, is increased by more than two orders of magnitude. For the first time, record-high forces of 100 Newton are generated, while an innovative overall system design maintains compactness. The second system is designed for high reversible actuation strains in the range of >50%. The use of silicone as elastomer additionally results in high-speed actuation. DEA systems with such outstanding performance prove that they are capable of competing with existing technologies such as solenoids, while adding additional functionality and, in the future, smartness through “self-sensing” properties.Dielektrische Elastomeraktoren (DEA) weisen eine hohe Energieeffizienz, geringes Gewicht und Designflexibilität, bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten, auf. Dies trifft speziell auf Membran DEA zu, die zusätzlich über einen Vorspannmechanismus verfügen. Diese Kombination zu einem DEA System ermöglicht eine deutliche Leistungssteigerung, birgt jedoch eine deutlich erhöhte Komplexität. Daher wird in dieser Arbeit ein systematischer Auslegungsprozess entwickelt, um solche Aktorsysteme anwendungsspezifisch anzupassen. Dieser erlaubt, unter anderem mit empirisch ermittelten Skalierungsgesetzen zur Aktorgeometrie, alle notwendigen Aktorparameter zu bestimmen. Abschließend wird die Leistungsfähigkeit des Auslegeprozesses an zwei Beispielen illustriert. Im ersten wird die Kraft eines Membran DEA, die typischerweise im Bereich von einigen hundert mN liegt, um zwei Größenordnungen erhöht. Erstmals erreicht ein solcher Aktor Kräfte von 100 N, während eine innovative Konstruktion dennoch für Kompaktheit sorgt. Mit dem zweiten Aktor können wiederholbare und schnelle (bis zu 0,3 m s -1 ) Aktuierungsdehnungen von >50% erzeugt werden. DEA Systeme, die eine solche Leistungsfähigkeit aufweisen, zeigen, dass sich die Technologie mit herkömmlichen Aktorprinzipien (z.B. elektromagnetische) messen kann. Darüber hinaus bieten DEA zusätzliche Funktionalität und können in Zukunft durch ihre Möglichkeit des „Self-sensing“ auch zur Entwicklung intelligenter Systeme für die Industrie 4.0 beitragen

Entwicklung bauraumoptimierter dielektrischer Elastomer-Aktoren und eines Prüfstandes zur Charakterisierung ihres Ermüdungsverhaltens

Dielektrische Elastomere (DE) bieten durch ihre vielen Vorteile wie hohe Energiedichte, geringes Gewicht und lautlose Bewegung umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Aktorik und Sensorik. In der vorliegenden Arbeit steht unter anderem die Entwicklung einer neuen Klasse von dielektrischen Membran-Aktoren im Fokus. Dieser Aktor-Typ soll durch seine besondere Streifengeometrie primär als Ventilantrieb eingesetzt werden und ermöglicht, die Ventile platzsparend nebeneinander anordnen zu können. Speziell wird in dieser Arbeit die Entwicklung und Charakterisierung dieser Streifenaktoren in Abhängigkeit verschiedener Designparamater präsentiert. Weiterhin wird die Verwendung dieser DE als Aktoren und Sensoren zur gleichen Zeit, das sogenannte ‚Self-Sensing‘, untersucht. Dieser Effekt basiert auf der Änderung der Kapazität und des Widerstandes der Aktoren sowohl bei elektrischer Aktuierung als auch als Reaktion auf äußere Kräfte. Insbesondere wird die Möglichkeit untersucht, die Änderung der elektrischen Kenngrößen bei der Aktuierung durch analoge Schaltungstechnik zu detektieren. Des Weiteren wird die Entwicklung und Validierung eines Ermüdungsprüfstandes vorgestellt. Dieser Prüfstand dient zur Ermüdung der Streifenaktoren und soll die Untersuchung der Mechanismen dienen, die zum Versagen der Aktoren führen können. Der Prüfstand ist in der Lage, mehrere Aktoren zur gleichen Zeit bei verschiedenen Temperaturen und Luftfeuchtigkeitsgraden in einer Klimakammer zu ermüden.Dielectric elastomers (DE) have many applications in the area of actuation and sensing because of their advantages like high energy density, low weight and silent movement. This work focuses primarily on the development of a new class of dielectric membraneactuators. The geometry of these actuators is strip shaped and was specially developed to be applied as valve drives. This strip shape allows the valves to be stacked up, thus saving space. This work presents the development and characterization of the strip-shaped actuators dependent on several design parameters. Furthermore this work investigates the application of these DE as actuators and sensors at the same time, the so called ‘self-sensing’ effect. This effect is based on the change in capacitance and resistance of the actuators at electrical actuation as well as on the actuators’ reaction to changing external forces. In particular this work examines the possibility of detecting the change of the electrical parameters while actuation with an analog circuit. Moreover, this work presents the development and validation of a fatigue test bench. This test bench fatigues the strip-shaped actuators and allows the examination of the mechanisms that could cause the failure of the actuators. The fatigue tester is located in a climate chamber and is able to fatigue various actuators at different environmental conditions, such as temperature and humidity