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

Advanced Design Concepts and Efficient Finite Element Modeling for Dielectric Elastomer Devices

Dielectric elastomers (DEs) offer their use in numerous applications, due to their advantages compared to conventional actuators and sensors. They excel in properties such as lightweight, energy efficiency, low-noise and inherent compliance, just to name a few. In particular, actuator and sensor systems based on membrane DEs show their potential in many fields, from the automotive industry to consumer electronics. Defined procedures which permit an efficient design process are required in order to allow the development of novel DE devices. Additionally, numerical methods for the optimization of such processes are of interest. The first part of this dissertation provides advanced design methods for actuator and sensor applications. For DE actuators, systems biased with permanent magnets are investigated and design rules are derived in order to maximize the stroke for a given load case. For DE sensors, the field of high pressure measurements is developed, introducing concepts for intrusive and nonintrusive sensor systems. In the second part of this dissertation, numerical methods for membrane DE actuators based on the Finite Element method are derived. The main focus is fast computation time and numerical efficiency. Two approaches are presented, one based on a two-dimensional continuum formulation and one based on a three-dimensional membrane formulation. The resulting models allow the investigation of local field distributions, such as stresses, thickness and electric field.Dielektrische Elastomere (DE) bieten sich durch ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Aktoren und Sensoren für viele Anwendungen an. Sie zeichnen sich aus durch geringes Gewicht, hohe Energieeffizienz, geräuschlosen Betrieb und inhärente Dehnbarkeit. Um die Entwicklung neuer DE Anwendungen voranzutreiben, werden effiziente Auslegungsprozesse benötigt. Zusätzlich sind numerische Methoden zur Optimierung solcher Prozesse von Interesse. Der erste Teil dieser Dissertation entwickelt fortgeschrittene Entwicklungsmethoden für Aktorund Sensorsysteme. Für DE Aktoren werden Systeme mit Permanentmagneten als Vorspannmechanismus untersucht und eine Prozedur zur Maximierung des Aktorhubs für eine vorgegebene Last hergeleitet. Für DE Sensoren wird das Feld der Hochdruckmessung erschlossen, indem Konzepte für intrusive und nicht-intrusive Druckmessungen entwickelt werden. Der zweite Teil dieser Dissertation leitet numerische Modelle für die Simulation von DE Aktoren basierend auf der Finite Elemente Methode her. Der Hauptfokus liegt hierbei auf schnellen Rechenzeiten und numerischer Effizienz. Der erste diskutierte Ansatz basiert auf einer zweidimensionalen Kontinuumsformulierung, während der zweite Ansatz auf einer dreidimensionalen Membranformulierung basiert. Die resultierenden Modelle erlauben die Untersuchung lokaler Feldverteilungen, beispielsweise der mechanischen Spannung, der Dickenänderung und dem elektrischen Feld

Electroactive Elastomeric Haptic Displays of Organ Motility and Tissue Compliance for Medical Training and Surgical Force Feedback

This paper presents a novel approach used to develop haptic displays of motility of organs and compliance of tissues, aimed at combining structural simplicity with realistic appearance and consistence. The dielectric elastomer actuation technology was used to mimic mechanical passive properties and electromechanical active functions of tissues by means of electroresponsive elastomeric devices. Proof-of-concept displays were conceived for medical training in cardiology and surgical force feedback in minimally invasive procedures. In particular, prototype displays of cardiac contractility, pulsatile blood pressure, and compliance of soft tissues were manufactured with silicone and acrylic elastomers. Preliminary physical and psychophysical tests suggested the feasibility of the considered approach, while emphasizing required improvements

Progenitor cells in auricular cartilage demonstrate promising cartilage regenerative potential in 3D hydrogel culture

The reconstruction of auricular deformities is a very challenging surgical procedure that could benefit from a tissue engineering approach. Nevertheless, a major obstacle is presented by the acquisition of sufficient amounts of autologous cells to create a cartilage construct the size of the human ear. Extensively expanded chondrocytes are unable to retain their phenotype, while bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (MSC) show endochondral terminal differentiation by formation of a calcified matrix. The identification of tissue-specific progenitor cells in auricular cartilage, which can be expanded to high numbers without loss of cartilage phenotype, has great prospects for cartilage regeneration of larger constructs. This study investigates the largely unexplored potential of auricular progenitor cells for cartilage tissue engineering in 3D hydrogels