Irodalomkutatás az elektroaktív polinomok viselkedése és ezek ipari felhasználása továbbá a vezérlı elektronikák témábakban
Tanulmány
ENTAL KFT
Gyır, 2010
Az irodalomkutatás során feldolgozott cikkek jegyzéke
Dielektrikus gumiból készített hangsugárzók ............................................................................ 3 IPMC elektroaktív anyaggal megtervezett és megvalósított hajó makett, célkeresı algoritmussal. ............................................................................................................................. 5 Különleges mőanyagok az orvostechnika szolgálatában ........................................................... 7 Összehajtogatott dielektrikus rugalmas aktuátorok.................................................................... 9 Több szabadságfokú feltekert aktuátorok ................................................................................ 11 (Dielectric Elastomers as Electromechanical Transdusers, p. 79- 90Fundamental Configurations for Dielectric Elastomer Actuators.................................................................. 14 (Dielectric Elastomers as Electromechanical Transdusers, p. 103-108 ................................... 16 Actuators and sensors from dielectric elastomer with smart compliant electrodes ................. 16 Electroactive Polymers for Robotics Applications p.72-89 ..................................................... 18 Nonprestained Dielectric Elastomer Actuator.......................................................................... 18 Feedback Control of Ionic Polymer Actuators......................................................................... 19 Charge Control of Ionic Polymers ........................................................................................... 20 Ionic Polymer-Metal Composites (IPMC) As Biomimetic Sensors and Actuators ................. 21 Ionos polimer-metál kompozit (IPMC) szenzorok és aktuátorok, melyek hasonlatosak a élettanin érzékszervekkel és izmokkal ..................................................................................... 21 Development of Dielectric Elastomer Actuators and their Implementation in a Force Feedback Interface.................................................................................................................................... 22 Integrated gas valve array using dielectric elastomer actuator ................................................ 24 Electroactive polymers for robotics applications ..................................................................... 25 Kis részecskék, nagy kihívások: különleges tulajdonságú lágy anyagok ................................ 27 Electrical control method for dielectric elastomer Actuators................................................... 28 Aquatic Locomotion Robot using IPMC ................................................................................. 29 Limited Angle Rotary Actuator using IPMC ........................................................................... 30 Különleges mőanyagok az orvostechnika szolgálatában ......................................................... 31 Feedback Control of Ionic Polymer Actuators......................................................................... 31 Charge Control of Ionic Polymers ........................................................................................... 32 Open Loop Nonlinear Optimal Tracking Control of a Magnetostrictive Terfenol-D Actuator32 The Development and Implementation of an Ionic Polymer Metal Composite Propelled ...... 33 Robotic Fish Based on a Polymer Actuator ............................................................................. 33
2
Dielektrikus gumiból készített hangsugárzók Eredeti cikk:Richard P. Heydt, Roy Kornbluh, Joseph Eckerle, Roland Perline: Dielectric Elastomer Loudpeakers Forrás: Federico Carpi, Danielo De Rossi, Roy Kornbluh, Ronald Pelrine, Peter SommerLarsen: Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers (könyv)
A feldolgozott cikkben a dialektikus gumiból készíthetı, elektrosztatikus hangsugárzó (DE) megoldásokról értekeznek. Ezek az eszközök magas feszültségen mőködnek, több kilovoltos tartományban. Ezeket a sugárzókat, és a bennük a rezgést létrehozó gumit tipikusan egyenfeszültséggel feszítik elı, majd arra ültetik rá a váltakozó feszültséget (moduláló jelet). Mivel az elektromos tér közvetlenül a gumit mozgatja, viszonylag nagy hangteljesítmény elıállítására képes applikáció hozható létre, viszonylag kis térfogatban. Az így kialakított sugárzók természetes velejárója a magas harmonikus torzítás, mivel a film deformációja változik a különbözı meghajtásoknál, mértéke függ az aktív területtıl. A harmonikus torzítás csökkenthetı, az ellenütemő konfigurációk alkalmazásával. A szóban forgó hangsugárzók egyedisége abban is rejlik hogy a hangsugárzásuk iránya módosítható a mechanikus elıfeszítés függvényében, miközben alakjuk változatos lehet. A cikk felhívja a figyelmet, hogy az így kialakított hangsugárzó nem azonos az 1920-ban kitalált elektroakusztikus elrendezéssel, és ezt felépítési rajzokon keresztül is ecseteli. Az elektroakusztikus verzióban két fegyverzet között létrejövı elektromos térerısség mozgat egy membránt, mely kelti a hangot, szemben az új elveken alapuló sugárzónál, ahol maga a moduláló feszültség által keltett térerısség nyomja össze a membrán és hozza létre a kívánt hangsugárzást. Az EAP anyagoknál, ahhoz hogy hangsugárzóként legyenek alkalmazhatóak, az elektromos (DC) elıfeszítésen kívül mechanikus elıfeszítést is igényelnek. A megfelelı anyagok a dielktrikus hangsugárzókhoz fıleg az akril és a szilikon alapú anyagok, mivel azok dielektikus állandója megfelelı és young modulusuk kicsi (tehát rugalmasak). A kívánt membrán vastagság kb. 50 mikrométer. A DC elıfeszítés ezeknél a sugárzóknál 1-2 kVolt között van. A moduláló váltakozó feszültség a pár száz voltos tartományban mozog. A cikkben bemutatott prototípusnál a mechanikai elıfeszítést többlet levegınyomással érik el. A cikkben látható egy 10cm átmérıjő dielktrikus hangsugárzók frekvencia spektruma, melyet laboratóriumi méréssel állítottak elı. Látható, hogy 1kHz-tıl kezd „megszólalni. A spektruma viszonylag egyenesnek mondható a rezonancia frekvencia környékén (1050Hz) és 20kHz között. 6kHz-tıl kb 8dB-t esik oktávonként. Összességében elmondható, hogy a fıleg kritikus 1 és 10kHz-es közép tartományban a hangminısége jó. Mivel a vibráció arányos a dielektrikus film megnyúlásával, amely viszont négyzetesen arányos a rá kapcsolt feszültséggel, a rezgés és a feszültség között is négyzetes arány áll fent, amely harmónikus torzítást okoz. A harmónikus torzítás a DC elıfeszítés és a moduláló jel arányától függ. Minél nagyobb a DC az elıfeszítés a moduláló jelhez képest, annál kisebb a torzítás, ezért a cikk azt ajánlja, hogy a moduláló jel amplitúdója csak pár százaléka legyen az elıfeszítésnek.
3
A cikk bemutat két technikát is a harmónikus torzítások csökkentése érdekében. Az elsı szerint elektronikusan, vagy szoftveresen vonnak gyököt a moduláló jelbıl, és maga a sugárzó négyzetre emelı tulajdonsága korrigálja ki a rezgést. A másik megoldásban két ellenütemben mőködı azonos fizikai méretekkel, viszont ellentétes elektromos és mechanikai elıfeszítéssel rendelkezı két egymáshoz közel elhelyezett hangsugárzó alkotta kombináció szerepel. Az így kialakított rendszernél a magasabb frekvenciákon a két hangsugárzó által leadott rezgések a távolban kioltják a nem kívánt torzításokat. A cikk szerint a torzítás akár 1%-alá is vihetı evvel a megoldással. A cikkben bemutatásra kerül, hogy miként lehet megoldani egyszerően a mechanikus elıfeszítést. A példában levegınyomással oldották meg, mellyel mind a pozitív, mind a negatív elıfeszítés is megoldható, és így a nyomás irányának alapján konkáv vagy konvex sugárzókról beszélhetünk. (Mind a két esetre bemutatásra kerül, hogy miként változik a lesugárzott jel frekvencia spektruma.) A konkáv sugárzónál az 1-6kHz-es tartományban 5dB-lel nagyobb a lesugárzott hangteljesítmény. A cikk végén kitér a tényleges alkalmazások lehetıségeire. Példaként bemutatja az SRI cég 10cm átmérıjő dielektrikus sugárzóját.
4
IPMC elektroaktív anyaggal megtervezett és megvalósított hajó makett, célkeresı algoritmussal. Eredeti cikk: Jason Aaron Vickers: The Development and Implementation of an Ionic Polymer Metal Composite Propelled Vessel Guided by a Goal-Seeking Algorithm Forrás: etd-tamu-2007A-MEEN-Vickers.pdf (Diploma dolgozat / Internet) A dolgozat bemutat egy (2) hajó modell komplett megtervezését és megvalósítását, melynek meghajtását kisfeszültségő ionos elektroaktív polimerrel (IPMC-vel) oldották meg. A kis makett irányítását egy ultrahangos célkeresı algoritmus vezérli, melynek komplett dokumentációja szintén megtalálható a dolgozatban. A dolgozatból megtudhatjuk, hogy a tesztekhez két makett is készült egy nagyobb, és egy kisebb. A nagyobb tartalmazza az összes vezérlést, tápforrást, szenzort és IPMC aktuátorokat, és önálló mőködésre képes, szemben a kisebbik verzióval, melynél csak a szenzort és a mozgatást végzı aktuátorokat építették be. A kisebbik verzióban a vezérlés és a táplálás kábelen keresztül történik.
A dolgozatból megtudhatjuk, hogy a hajó nagyon lassan mozgott, emiatt igyekeztek a hajót mozgatni képes erıt megnövelni. Ehhez uszonyt készítettek az IPMC szalaghoz, mellyel a felületét 700%-osan növelték, mely 22-szeres erınövekedést jelent.
Az alapos tesztelés után az találták, hogy a 3 IPMC szalag, melyet oszcillációs uszonyként használtak, nem tudott elegendı hajtóerıt kifejteni ahhoz, hogy a bárka mozogjon, sem ezekkel az uszonyokkal, sem pedig nélkülük. Az uszonyok hozzáadása miatt az oszcillációs frekvencia nagyon lecsökkent: 0.86Hz-rıl 0.25Hz-re. Ami viszont sikeresen mőködött a hajónál, az a célkeresı algoritmus, mely sikeresen vezette a bárkát a cél irányába. A cél a kísérleteknél egy ultrahangos adó volt, mely a partról sugározta a jelet, melyet a makett követni képes. Hogyha kézzel segítették a maketteket, akkor a vezérlı algoritmus instrukciója alapján az minden esetben elérte a célt.
5
A dolgozatból megtudható több a kísérleteknél tapasztalt információ. Például, amikor a cél balra volt a makett tengelytıl, 18.8%-kal több idı volt szükséges ahhoz, hogy megérkezzen a célba, azokhoz a kísérletekkel szembe, amikor is a cél jobbra volt. A dolgozat készítıi elemezték a probléma okát, és több tényt is figyelembe véve arra a megállapításra jutottak, hogy az alkalmazott hajtási módszer nem megfelelı. A mőködései frekvencia csökkent, és az derült ki, hogy az impulzusmomentum elmélet szerint az elırehajtó erı is arányosan csökkent. Ez az ok többek között segített megmagyarázni a negatív eredmény tényét, mely magából az aktuátorból fakad. A dolgozatban találhatók a vezérlı algoritmussal kapcsolatos forráskódok, folyamatábrák, a meghajtó elektronikával kapcsolatos kapcsolási rajzok, ábrák, mérési eredmények. A dolgozat elején rövid összefoglalót kaphatunk a IMPC anyagokkal kapcsolatban is.
6
Különleges mőanyagok az orvostechnika szolgálatában Eredeti cikk: Pál Károlyné: Különleges mőanyagok az orvostechnika szolgálatában Forrás: HR5 kulonleges-muanyagok-az-orvostechnika-szolgalataban-02.pdf (Internet)
A cikk az orvostudományban is alkalmazható különleges mőanyagokról ad áttekintést. Míg régebben különlegesen tiszta mőanyagokat használtak az orvostudományban, addigra ma már speciálisan erre a célra fejlesztenek ki különbözı anyagokat például: a megújuló növényi alapanyagokból biotechnikai úton elıállított, majd felhabosított poli(hidroxi-alkanoát)-ok, amelyekbıl a szervezetben felszívódó ideiglenes implantátumokat, protéziseket gyár-tanak, és ilyenek az aktuátorként – mesterséges izomként – felhasználható polimerek. Lényeges szempont az új anyagoknál, hogy a szervezet képes legyen befogadni azokat, ne lökje ki ıket, ne okozzanak gyulladást. A cikkben több mőanyag is ismertetésre kerül: -
mikropórusos habok poli(hidroxi-butirát) átmeneti protézisekhez, támasztásokhoz, melyeket a gyógyulás után kioperálnak.
-
polietilén, poli(metil-metakrilát), poli(tetrafluor-eti-lén), poliészterek, polisziloxánok, poliuretánok és hidrogélek implantátumok létrehozására.
-
PHB habok. A cikk ezen habok elıállításához szükséges anyagokkal részletesebben is foglalkozik.
A cikk második felében találjuk a számunkra is érdekes, elektroaktív polimerekrıl, és az azokból készíthetı aktuátorokról szóló értekezést. (Aktuátorok konjugált polimerekbıl orvostechnikai alkalmazásra). Már 1950-ben is folytak kísérletek az EAP anyagokkal, de csak napjainkban növekedett meg fıleg az érdeklıdés irányukban, például a mesterséges izmok iránti igény végett. A cikk összefoglalja a polimer aktuátorokhoz használhat anyagokat, mind a dielektrikus, mind pedig az ionos típusokat. Polimeraktuátorokhoz alkalmazott anyagok Reszponzív (válaszadásra képes) gél Ionos polimer /fém kompozit Vezetı polimer Szén nanocsövek Elektrosztriktív polimer Dielektromos elasztomer Folyadékkristályos elasztomer
Típus Ionos Ionos Ionos ionos (részben elektromos) Elektromos Elektromos termikus fáziscsere (elektromos)
Megemlítésre kerül a cikkben a Nitinol, mely egy alakmemóriával (shape-memory alloy, SMA) rendelkezı ötvözet, mely hımérséklet hatására nyeri vissza eredeti alakját. Ez az anyag is, mint lehetséges „mesterséges izom” funkcionálhat. Ezek az ötvözetek huzal formájában kaphatók, és a rajtuk átvezetett áram melegíti fel ıket.
7
A cikk értekezik az ionos EAP anyagokkal. Az ionos elektroaktív polimerek ionos polimer/fém kompozitból és konjugált polimerekbıl állnak. Térfogatváltozásuk ion- és oldószervándorláson alapul. Ezek az anyagok kisfeszültséggel mőködnek.
Az elektronikus EAP-k piezoelektromos polimert vagy dielektromos elasztomert tartalmaznak. Mőködésük kapacitív feltöltıdésen alapul. Nagyfeszültséggel vezérelhetık, és nem viselik el a nedves közeget. A cikk a konjugált polimerek tulajdonságai alapján megállapítja, hogy mesterséges izomként jól alkalmazgató, mert a cikkben is felsorolt tulajdonságoikhoz alkalmazkodnak. (elektromosan szabályozhatók, kisfeszültségőek, erısen megnyújthatók, erısek, mőködıképesek szobahımérsékleten vagy az emberi test hımérsékletén). A konjugált polimerek természetes közegei az elektrolitek, ezért vérben, vizeletben és más testfolyadékban is üzemképesek (ellentétben a legtöbb aktuátortól, amelyet óvni kell a korrozív folyadékoktól). Hátrányuk viszont, hogy lassúak, viszonylag rossz a hatásfokuk, és csak ionos közegben mőködıképesek. Ezek a hátrányok biomedikális alkalmazásban nem különösen jelentısek. A konjugált polimerek közül mesterséges izomként a polipirrolok (PPy) váltak be a legjobban. (A cikk a PPy anyagok tulajdonságairól részletesebben foglalkozik.)
8
Összehajtogatott dielektrikus rugalmas aktuátorok Eredeti cikk: Federico Carpi, Claudio Salaris and Danilo De Rossi: Folded dielectric elastomer actuators Forrás: HR5_Carpi_Folded-dielectric-elastomer-actuators.doc (Internet)
Több alkalmazásbanis igény van az összehúzódó lineáris aktuátorokra. A cikk két konfigurációját ismerteti a dielektrikus gumiszerő anyagokból készült aktuátoroknak: a több rétegő és a spirális változatot. Az elsı több egyedi sík rétegbıl épül fel, melyeknek mechanikus mozgása sorba kapcsolódik, míg az elektromos megtáplálás minden rétegnél párhuzamos. A második konfigurációt egy pár spirális elektróda alkotja. Manapság mind a kettı gyártása elég komplikált, a speciális felépítésük miatt. A gyártásuk fellendülése attól várható, hogy több alkalmazásnál is nı az igény az ilyen aktuátorokra. Az ilyen EAP alapú aktuátoroknak nagy jövıt jósolnak az élet több területén is, például az orvostudományban, a hadi iparban, a robot technológiákban, az őrkutatásban, stb… A cikkben ennek a két szóban forgó konfigurációnak kerül sor a bemutatására. A dielektrikus EAP aktuátoroknál az elektromos térerısség effektusa (Maxwel összenyomó effektus) hozza létre a mozgást, oly módon, hogy a fegyverzetek közé helyezett dielektrikum, mely esetünkben egy összenyomható polimer, a két fegyverzet összehúzódása hatására alakot változtat. Ezt az alakváltozást (összenyomódást) használják ki az aktuátorok létrehozásánál. A cikk felsorol több megoldást is a dielektrikus EAP aktuátor megoldásokra: pl.: síkbeli, összegöngyölt, csıszerő, rétegelt, diafragma, táguló, stb.. A cikk bemutatja, hogy miként épül fel a helikális (csiga vonalú) EAP aktuátor.
A cikk bemutat 3 fajta megoldást is a rétegelt dielktrikus aktuátorok elkészítéséhez. Az elsı részben az összehajtogatott lehetıséget tárgyalja.
9
A cikkben szereplı aktuátorok szilikon alapú anyagokból készültek. A prototípusokhoz használt szilikon gumi anyagát is ismerteti (TC-5005 A/B-C, BJB Enterprises Inc., U.S.A.), továbbá a szilikon-karbon keverék (CAF 4, Rhodorsil, France / Vulcan XC 72 R, Carbocrom, Italy) melyek fizikai paraméterei megfelelık az EAP aktuátorok létrehozásához. A cikk második felében az elkészített aktuátorok tesztelésérıl kapunk információkat. Bemutatásra kerülnek a feszültség-összehúzódás-erı görbék.
10
Több szabadságfokú feltekert aktuátorok Eredeti cikk: Marcus Aaron Rosenthal & Qibing Pei: Multiple-degres-of-freedom roll actuators Forrás: Federico Carpi, Danielo De Rossi, Roy Kornbluh, Ronald Pelrine, Peter SommerLarsen: Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers (könyv)
A cikk arról értekezik, hogy a részekre bontott dielektrikus EAP anyagokkal, megfelelı elıfeszítés mellett, több szabadságfokú egyedi aktuátorok hozhatók létre. A mintázott fegyverzetekkel ellátott és feltekert dielektromos film egy rugóra applikálva, képes egy ilyen konfigurációt alkotni. Az így elkészített aktuátorok képesek a lineáris mozgásra, amennyiben az összes szegmenst azonos módon vezéreljük, de képes az elhajlásra is, melynek mértéke az egyes szegmensek eltérı vezérlésével kontrollálható. A több szabadságfokú aktuátorok úgy hozhatók létre DEAP anyagokkal, hogy alkalmazzuk a feltekert struktúrát hasonlóan az egyszerő 1 szabadságfokú aktuátorokhoz, avval a különbséggel, hogy a fegyverzeteket körkörösen több (2,3,4) részre osztják.
Ez a fajta konfiguráció számos új lehetıséggel bír a különbözı alkalmazásokban. A cikk példaképen említi a következı alkalmazási területeket: lépegetı robotot, endoszkópok, manipulátorok, kígyózó robotok, több tengelyő kameramozgatások, stb. A cikk külön kitér azokra a lehetıségekre is, amikor több ilyen több szabadságfokú aktuátort építenek egymás mögé, és evvel egy olyan komplex mozgásokra is képes konfigurációt hoznak létre, mely képes a kígyózó mozgásra is. Ez utóbbi aktuátor konfigurációk potenciális alkalmazási területe lehet a víz alatti robotok. A cikk röviden leírja, hogy miként alakították ki az aktuátorokhoz szükséges elektródákat a nyomásra érzékeny tapadó (PSA) dielektrikus filmen, melyet utána egy rugóra feltekertek. A cikkben két-két verzió paramétereit is ismertetik, mind a 2 szabadságfokú, mind pedig a 3 szabadságfokú aktuátorokra. A cikk szerint 20-80 réteg PSA filmet helyeznek egymásra. A kialakított aktuátorok 3-6KVolt közötti feszültség tartományban mőködnek. Az aktuátorok létrehozásánál a problémás tényezı, hogy amint a filmet feltekercselik, az összetartozó elektródáknak egymással fedésbe kell kerülniük. Mivel a feltekeréskor az egyes rétegek átmérıje folyamatosan növekszik, a fegyverzeteket is annak megfelelıen kell még a kiterített filmen elkészíteni. Jelenleg a fı korlátja az így elkészíthetı aktuátoroknak a kb. 2mm széles inaktív területek a filmen.
11
A feldolgozott cikk foglalkozik egy olyanfajta aktuátor kialakítással is, mely jobban utánozza az élılényeknél is megfigyelhetı izom-csigolya konfigurációkat. A felépítése alapján több kis csuklós körlapot helyeznek el egy rugalmas tengely mentén, melyekre két oldalról egy-egy EAP filmet helyeznek el, külön vezérléssel. Az így kialakított konfiguráció két irányban tud meghajlani, a két fegyverzet vezérlésének megfelelıen. Cikk tárgyalja az így kialakítható aktuátorok matematikai modelljét is.
A cikk második felében a lehetséges applikációkkal foglalkozik. Bemutat egy 6 „lábú” robot modellt, melynek a lábai gyanánt 6 darab 2 szabadságfokú aktuátort használnak. A robot neve MERbot. A robotot egy 18x18 cm kiterjedéső 6 oldalú lap és a sarkokba épített aktuátorok alkotják. A robot érdekessége a meglehetısen nagy mozgási sebessége: max 13,6 cm/sec, 7Hz-es vezérlıjelek és 5,5kVolt-os meghajtás mellett. Ami a robottal kapcsolatban tovább fokozza az érdeklıdést, hogy a kipróbált verziót nem optimalizálták. A cikk szerint a MERbot végsebessége elérhetné akár az 53cm/sec sebességet is!
Bemutatásra kerül egy kígyómozgásra is képes robot is, melyet 4 darab 2 szabadságfokú aktuátor alkot. A cikkben bemutatott robotot 6kVolton hajtják. Felváltva az egyes szegmenseket.
A harmadik bemutatásra kerülı robot egy halszerő mozgásra képes applikáció. Ebben az esetben az aktuátorokat szilikonos védı gumiba csomagolják.
12
13
(Dielectric Elastomers as Electromechanical Transdusers, p. 7990Fundamental Configurations for Dielectric Elastomer Actuators. Egyszerő dielektrikus elasztomer aktuátorok felépítése Roy Kornbluh SRI International, Mento Park, CA, USA A dielektromos elasztomer aktuátorok egyszerő lapos és réteges felépítéső szerkezetek, amelyek rendkívül sokféle elrendezésekben alkalmazhatóak. Ez a sokszínőség teszi lehetıvé, hogy az aktuátorokat az adott feladathoz leginkább igazodó méretben, formában és jellemzıkkel alakítsuk ki. Ez az egyediség azonban minden tervezési feladatban más-más kihívásokat is jelent. Összességében azonban, az elasztomerekkel történı tervezés általában egyszerőbb feladat, mint a mágneses elven mőködı megoldások kidolgozása. Utóbbi esetben ugyanis a csapágyazások illetve keskeny légrések pontos méretezése, az eszköz precíz gyártása igencsak bonyolult mérnöki feladatnak számít. Az elasztomer aktuátorokban használt összenyomható dielektrikum film két oldalára könnyen megnyúlni képes elektróda bevonatokat kell felvinni. Ez a szendvicsszerkezet nagyban hasonlít a piezoelektromos elven mőködı aktuátorokra jellemzı megoldásra. Jelentıs különbség azonban, hogy a piezoelektromos lapkák csak igen kicsi megnyúlásra képesek, az elasztomerek viszont képesek egy akár teljesen egyenes helyzetbıl egy jelentısen meggörbült helyzetet is felvenni, illetve általában nagyságrendekkel nagyobb alakváltozást elviselni. Az akril elasztomerek például akár 300%-os megnyúlásra is képesek, míg a kerámia csupán 0.1%-ra. Egy másik jelentıs különbség, hogy az elasztomerek lényegesen puhábbak a kerámiáknál. Az elasztomerek esetén a rugalmasság modulus 1-5MPa között mozog, míg a kerámiákra a 65GPa a jellemzı. Az elasztomereknek a kemény anyagokhoz viszonyított óriási megnyúlási képessége és puhasága egyszerre rejthet számos egyedülálló elınyt magában, miközben néhány megoldandó problémát is felvet. A tervezés során különös fontossággal bír, hogy a nagy alakváltozásra képes elasztomer aktuátorok által kifejtett erı, és a kimenet elmozdulása hatékony magas hatékonyságú mőködést tegyen lehetıvé. Különösen az olyan dielektromos elasztomerek, mint például az akril (VHB) esetén a magas hatékonyságú mőködéshez az anyag megfelelı mértékő elıfeszítése szükséges. Ilyenkor az aktuátor kialakítását úgy kell megoldani, hogy az biztosítani tudja az elıfeszítést. A lehetséges elrendezések széles skálán helyezkednek el, a legegyszerőbb elhajlásra képes aktuátoroktól kezdve, a diafragmákon és az egymáshoz ragasztott rétegelt aktuátorokon és az élı izomhoz hasonlító feltekert elrendezéseken keresztül a nagyszámú speciális kialakításig. A speciális kialakítások közül az átlátszó anyagból készített aktuátorok az optikai alkalmazásokban kaphatnak óriási szerepet. Az aktuátorokban az elasztomerek alapvetıen közvetlenül a mozgatni kívánt egységekhez kapcsolódnak. Lehetséges azonban az elasztomerekbıl motorokat, generátorokat, illetve szenzorokat is készíteni. Összefoglalva, az elasztomer aktuátorok sajátosságai, használatakor felmerülı kihívások a következık: • Terhelési tényezık figyelembevétele: Az elasztomer elektromos feszültség által okozott erıhatást fejt ki a külsı terhelésre.
14
• • • • •
Folyamatos feszítés, meglazulás elkerülése: Az alapépítı elem egy vékony lágy film, ami csak húzóerıt képest kifejteni. Monolitikus struktúra: A polimerekbıl könnyen lehet nagy felülető lapokat vagy tetszıleges formájú alakot kialakítani. Rugalmasságság és könnyő alakíthatóság Átláthatóság: Sok elasztomer átlátszó, ami optikai alkalmazásokban történı alkalmazást tesz lehetıvé. Sokoldalúság: A polimerek könnyen beépíthetıek úgy, hogy nemcsak aktuátor funkciót látnak el, hanem tartó vagy védelmi feladatuk is lehet.
15
(Dielectric Elastomers as Electromechanical Transdusers, p. 103-108 Actuators and sensors from dielectric elastomer with smart compliant electrodes Dielektromos elasztomer aktuátorok és szenzorok okos rugalmas elektródákkal Peter Sommer-Larsen és Mohamed Benslimane A megnyúlásra képes elektródák alapvetı fontossággal bírnak az elasztomer aktuátorokban. Az aktuátorok okos elektródái (DESCE) vékony fémes filmbıl készülnek, amit a mikroszerkezető elasztomer filmre visznek fel. Az elektródák szerkezete biztosítja, hogy az aktuátor csak a kívánt irányban legyen képes megnyúlni. Ezek az elektródák nemcsak az aktuátormőködést biztosítják, hanem - például az alakváltozás hatására létrejövı kapacitás változás mérésén keresztül - érzékelési funkció megvalósítását is lehetıvé teszik. Az okos elektródákkal ellentétben, a hagyományos elektródák alapvetıen vezetı részecskékbıl állnak, por, paszta formában könnyen kezelhetıek, kefével vagy szórással egyaránt felvihetıek a jellemzıen elıfeszített elasztomer filmre. Az aktuátor kialakítása az okos elektródákkal rendkívül változatos lehet, az egyszerő lap aktuátoroktól a többrétegő elrendezésekig. Az okos elektródás aktuátorok gyártása három lépésben történik. Elsı fázisban az elasztomer film egyik oldalát nyomtatással hullámossá teszik. Második lépésben a hullámos oldalra felviszik a fémezést. A bejezı fázisban az elkészült egyik oldalán fémezett filmekbıl kettıt összefordítanak úgy, hogy a hullámosított oldalak (és a fémezés) kifele legyenek. Az aktuátorok kapacitásának döntı szerepe van a nagyfeszültségő tápegység kiválasztásánál. A többrétegő aktuátorok nagy kapacitása kisteljesítményő kapcsolóüzemő tápegységek áramkorlátja együttesen határozza meg a maximálisan elérhetı feltöltési, illetve kisütési sebességét Az okos elektródákkal ellátott elasztomer aktuátorok elektromechanikai tulajdonságainak méréséhez alapvetıen kétfajta eljárás létezik. A mérésekkel az elrendezésre és az anyagra jellemzı az izotonikus és az izometrikus görbék határozhatóak meg. Elıbbi esetben, állandó terhelés mellett, változó feszültség hatására bekövetkezı alakváltozás nagyságát mérjük. Izometrikus esetben, állandó hossz mellett az elasztomerben fellépı mechanikai feszültséget mérjük. Az izotonikus mérések kis alakváltozás esetén az egyszerő modelleknek megfelelıen az megnyúlás és a felszültség között négyzetes összefüggést mutatnak. Nagyobb megnyúlások esetén, azonban már az elasztomer rugalmassága olyan mértékben megnı, hogy az egyszerő modellek már nem követik a valóságos folyamatokat. Az aktuátor dinamikus viselkedése annak átmeneti függvényével jellemezhetı. Jellemzıen nem tömeget (súlyt) használnak terhelésként, mert annak lengései nehezítik a pontos mérést. A méréseknél elınyösebb rúgót használni terhelés céljára. Az elasztomerek okos elektródákkal alkalmasak szenzorfunkció megvalósítására is. Mivel, az alakváltozás során az elasztomer térfogatát állandónak tekintjük, ezért a hosszváltozás minden esetben az anyag elvékonyodását is jelenti, amely mérhetı kapacitásváltozást okoz. A pontos összefüggés a kapacitás és megnyúlás között: ∆C/C0=2S, ahol S a relatív megnyúlás mértéke. Ez az összefüggés nemcsak a fegyverzetek távolságának változásából adódó kapacitásváltozást veszi figyelembe, hanem a fegyverzetek méretváltozásával is számol.
16
Gyakorlatban használt közelítı összefüggés 20%-on belüli hibával számítja a kapacitást. A szenzor kiolvasása – a kapacitásmérés számos különbözı módon történhet. Alapmegoldásként lehetséges kapacitásmérıt használni. Másik módszer, egy ismert ellenállással RC kör kialakítása, melynek idıállandója egyszerően mérhetı, vagy frekvencia- feszültség átalakítóhoz kapcsolható. Aktuátor móddal kombinálva a kapacitás méréséhez egy kisfeszültségő, nagyfrekvenciás jelet célszerő az aktuátort meghajtó nagyfeszültségő, alacsonyabb frekvenciás jelhez hozzáadni. A mérıjel segítségével a megfelelı frekvenciaszétválasztás után a fázis vagy amplitúdó értékek alapján a kapacitás, és ezen keresztül az aktuális megnyúlás meghatározható.
17
Electroactive Polymers for Robotics Applications p.72-89 Nonprestained Dielectric Elastomer Actuator Elıfeszítés nélküli dielektromos elasztomer aktuátorok Jellemzıen a dielektomos aktuátorokat elıfeszített módban használják, mert ezzel az aktuátor deformációja növelhetı. Az elıfeszítéssel azonban néhány mőködés szempontjából hátrányos jelenség is együttjár. A legtöbb problémát az anyagok viszkoelasztikus tulajdonságából fakadóan az anyag relaxációja okozza, ami azt jelenti, hogy idıvel az anyagban a mechanikai feszültség csökken. Másik kedvezıtlen jelenség a hiszterézis. A fenti problémák elkerülése érdekében a cikk elıfeszítés nélkül mőködı aktuátorok használatára tesz javaslatot, amelyek teljesítménye az öregedés miatt nem az idı múlásával sem változik. Az elv, hogy a dielektromos elasztomer anyagot két oldalán elektródákkal egy merev kör alakú nyílásra helyezik úgy, hogy az anyag felülete picit nagyobb legyen, mint a nyílás felülete. Ezzel a megoldással egy kissé homorú, vagy domború felület jön létre. Feszültség hatására az elasztomer mérete megnı, aminek eredményeképpen a domború felület jobban kiemelkedik, illetve a homorú felület jobban besüllyed, a nyugalmi helyzetéhez viszonyítva. A nyugalmi helyzetben a kis minimális mértékő összenyomás azért szükséges, hogy az aktuátor mindig egyanabban az irányba mozduljon. A fenti elrendezés fejlettebb változatában több vékony, elektródákkal ellátott elasztomer filmet ragasztanak egymásra, mielıtt azokat a merev keretre szerelik. Ebben az esetben a filmrétegek kis vastagsága miatt alacsonyabb feszültség is elegendı a mőködtetéshez. A cikk egy vázlatos villamos kapcsolási rajzon mutatja be, az aktuátor mőködtetéséhez ajánlott tápegységet, mellyel az aktuátor több mint 100Hz-es sebességgel is mőködtethetı. A feltöltési folyamat elektromosan jellemzıen nem gyorsítható tetszılegesen, mert azt az anyag tulajdonságai határozzák meg. A kapcsolás a kisütési folyamatot képes meggyorsítani azzal, hogy a nemcsak a tápfeszültséget kapcsolja le az dielektormos elasztomerrıl, hanem egy ellenálláson keresztül rövidre is zárja azt, amin át a töltések a fegyverzetek között gyorsan kiegyenlítıdhetnek. A fent ismertetett aktuátorelrendezéssel többek között kézzel tapintható braille kijelzı készíthetı látássérültek számára. A cikk egy konkrét lehetséges többrétegő, könnyen gyártható elrendezést is ismertet. Léteznek ugyan már más elven mőködı kijelzık, azonban ezek felbontása nagyban korlátozott, elsısorban a felületbıl kiemelkedı nagyszámú elemi ponthoz tartozó bonyolult vezetékezés miatt. A cikk javaslata, hogy egy N*N számú pontból álló kijelzıt a billentyőzeteknél elterjedten használt mátrixba kapcsolt elemi pontokból kellene kialakítani, ami mindössze 2*N számú vezetékkel megoldható. Az egész kijelzıt egy mikrokontroller vezérli, ami az elemi pontokat megfelelıen kialakított nagyfeszültségő kapcsolóelemek segítségével képes az aktiválni.
18
Feedback Control of Ionic Polymer Actuators By Kiran Mallavarapu Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Mechanical Engineering Donald J. Leo, Chair, Daniel J. Inman, Ronald G. Kander July 2001 Blacksburg, Virginia Az ionos polimer aktuátorok vezérlése visszacsatolásossal A diplomamunka egy arany vagy platina felülettel ellátott Nafion-117-es anyagból készített ionos aktuátor szabályzási lehetıségeit vizsgálja. Az ionos aktuátorok egyik kedvezı jellemzı tulajdonsága hogy feszültség hatására nagymértékben deformálódnak. A vékony szalag a két oldalára kapcsolt feszültség hatására jelentısen elhajlik. A jelenség fordított irányban is mőködik, azaz elmozdulás (mozgás) hatására feszültségváltozás mérhetı a szalag két oldalán. Az ionos polimer aktuátorok rugalmasságuk miatt elsısorban az elı szervezeteket utánzó robotalkalmazásokban lehetnek alkalmazhatóak. Az aktuátorok fenti elınyös tulajdonságai ellenére, az alkalmazhatóságuknak egyik fı korlátja a jellemzıen lassú mőködésük. A feszültség hatására a létrejövı elmozdulás beállási ideje elérheti akár a 20 másodpercet is, ami az aktuátor maximális sávszélességét meghatározza. Az ionos anyagoknak másik hátrányos tulajdonsága, hogy mőködési jellemzıiket nagyban befolyásolja felületük nedvessége. A szalag formájú elhajló aktuátorok esetén a villamos feszültség hatására bekövetkezı deformálódás jelenségének elméleti háttere nem teljesen tisztázott. A dolgozat –elsısorban a már ismert hatások modelljeinek beépítésével- javasol néhány modellt, amelyekkel a teljes jelenség többé-kevésbé leírható, megteremtve a kiindulási alapot szabályzókörök tervezéséhez. A szabályzókörök alkalmazásának célja, hogy az ionos aktuátorok alapvetıen lassú beállási idejét lecsökkentse, illetve mőködésüket gyorsítsa. A dolgozat állapotteres módszerrel leírt empirikus modellekre alapozva részletesen bemutatja egy lineáris kvadratikus szabályzó tervezésének lépéseit. A szabályzás számítógépes szimulációját követıen összehasonlítja a szimulált eredményeket a megépített rendszeren végzett mérésekkel, amelyek általában jó egyezést mutatnak egymással. A mérés és a szimuláció közötti eltérések abból adódnak, hogy az anyag felületének nedvessége befolyásolja annak keménységét, ami a fellépı rezonanciajelenségek jelentıs változásait okozhatják. Az anyag idıben változó tulajdonságai miatt, konzervatívabb szabályzó beállítások szükségesek, amik viszont a szabályzás minıségi jellemzıit rontják el.
19
Charge Control of Ionic Polymers By Walter J Robinson Jr Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Mechanical Engineering Donald J. Leo, Chair; Daniel J. Inman; Harry Robertshaw July 2005 Blacksburg, Virginia Keywords: Ionic polymer, IPMC, charge control Copyright by Walter J Robinson Jr, 2005 Az ionos polimerek töltésvezérlése Az ionos fém kompozit polimerek két vékony vezetıréteget és köztük egy ionos polimert tartalmaznak. Jellemzı tulajdonságuk, hogy feszültség hatására nagy deformációra képesek ugyan, azonban nagyobb erıhatás kifejtésére alkalmatlanok. Az említett jelenség a polimeren belül történı töltés felhalmozódással van szoros kapcsolatban. A dolgozat tárgyalja azt a megoldást, hogy az általában elterjedt feszültséggerjesztés helyett, mennyire célszerő árammal gerjeszteni a polimeraktuátort. Külön fejezetek foglalkozik azzal, hogy hogyan lehet az áramgerjesztést szabályozni, illetve ez mennyiben jelent elınyösebb megoldást a feszültséggerjesztéshez képest. A méréséi eredmények szerint, az árammal történı gerjesztés hatására történı deformációk nagyjából azonos módon mennek végre, ami a szabályázhatóság szempontjából kedvezı tulajdonság, másrészrıl viszont a visszarelaxálódás jelensége is megfigyelhetı, ami az aktuátor modellezését és ezen keresztül a szabályzótervezést is nagyban nehezíti. A visszarelaxálódás miatt a polimer alacsony frekvencián nemlineáris jelleget mutat, ugyanis a relaxálódás mértéke nem arányosan változik a gerjesztıárammal. A polimer válasz függvénye bizonyos feszültség felett megváltozik, mert az anyagon merhetı feszültség növekedésével, a relaxációs idı is növekszik. A dolgozat bemutat egy kísérleti elrendezést. A berendezésen végzett mérések adatait felhasználva kísérletet tesz az ionos polimerek áramgerjesztés hatására megfigyelhetı viselkedésének a modellezésére. A modelleket az aktuátor egységugrás gerjesztésre, illetve harmonikus gerjesztésre adott válaszaiból számítja a MATLAB program segítségével.
20
Proceedings of SPIE's 5th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, 1-5 March, 1998, San Diego, CA. Paper No. 3324-27
Ionic Polymer-Metal Composites (IPMC) As Biomimetic Sensors and Actuators M. Shahinpoor(a), Y. Bar-Cohen(b), T. Xue(b), J.O. Simpson(c) and J. Smith(c) (a)-Artificial Muscles Research Institute, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA (b)NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), California Institute of Technology, Pasadena, Ca., 91109-8099 (c)-Composites and Polymers Branch, NASA Langley Research Center, Hampton, Va., 23681-0001
Ionos polimer-metál kompozit (IPMC) szenzorok és aktuátorok, melyek hasonlatosak a élettanin érzékszervekkel és izmokkal A cikk szerzıi olyan szenzorok és aktuátorokkal kapcsolatos eredményeiket közölték, melyek az élılényekhez hasonlóan mőködnek. Elsıdleges anyagként az „Ion-exchange polymer-metal composites” (IPMC) kompozitokkal foglalkoztak, mivel ezek az anyagok képesek a legnagyobb deformációra, és a jelenlegi EAP anyagok közül ezeknek van a legkisebb feszültségre szükségük a deformációhoz. Szenzornak több féle anyagokat teszteltek, melyek alkalmasak lehetnek nyomásmérésre, gyorsulásmérésre. A méréseket ionos polimer gélekben végezték el közel statikus és dinamikus terhelési esetekben, mely mérési eredményeket a 3. és 4. ábra mutat a cikkben. (030mV a feszültég mely az elmozdulás következtében keletkezik.) A feladathoz alkalmazható aktuátorokat tulajdonságaik alapján összehasonlították (table 1), melyek közül az IPMC tulajdonságai voltak a legmegfelelıbbek. A film aktivitása függ a feszültségtıl, vezérlıjel frekvenciájától és a nedves környezet összetételétıl. (ionizáció függ a víz összetételétıl) A cikkben bemutatnak két aktuátort, elsıként egy megfogó (kéz) szerkezetet, egy lineáris típusú emelıt (lábat). A kialakított eszközök teljesítményét, terhelhetıségét és erejét, deformációját kimérték, melyek a cikk 11-13. oldalán találhatóak. Következtetés képpen arra jutottak, hogy ezek az aktuátorok alkalmasak lehetnek különbözı úszó robot szerkezetek elkészítésére, szárny mechanizmusok kialakítására (csapkodó), csúszó kígyózó mozgások megvalósítására, szív és áramlás elısegítı eszközök megkonstruálásához.
21
Diss. ETH No. 17584
Development of Dielectric Elastomer Actuators and their Implementation in a Force Feedback Interface A cikk elsı fejezeteiben az emberi kéz által kifejtett erı mértékének és irányának meghatározásával foglakozik, mely alapján modellezik a kezet, hogy aztán egy EAP kezet tudjanak készíteni. A 4. fejezetben táblázat foglalja össze (table: 4.3) a különbözı anyagok tulajdonságait, melyek közül ık a lágy dielektromos elektroaktív polimerekkel foglalkoznak. A 4.2-es fejezetben kifejtik, hogy miként viselkednek, mőködnek az említett anyagok, milyen részekbıl épül fel egy aktuátor, és azokkal szemben milyen elvárások vannak.: Dielektromos film: Geometriailag: Vékony egységes vastagságú film. Anyag: Lehetıleg teljesen homogén anyagú. Mechanikai jellemzık: Összenyomható film, elasztikus tulajdonságokkal, kis Young modulussal és nagy megnyúlással. Elektromos vezetıképesség: Nagy dielektromos állandójú és nagy átütési feszültség. Elektróda kialakítása: Geometriailag: Lehetı legvékonyabb legyen. Anyag: Nem folyékony anyag, mely jó tapadású, sima felülető. Lehetıleg a teljes felületével tapadjon a dielektromos (eap) felületekhez. A vezetı és szigetelı felületek nem hatolhatnak egymásba. Mechanikai jellemzık: Minden irányba könnyen nyújtható (kis Young modulus) Elektromos vezetıképesség: Nagy megnyúlás esetén is jó vezetıképesség. Az elektróda teljes keresztmetszetében azonos vezetıképesség. Síkbeli kapcsolódás a dielektrikumhoz, az egyenletes elektromos tér megvalósítása érdekében. A lágy dielektromos EAP aktuátorokhoz az elektródákat vezetı részecskékkel valósítják meg (szén ill. grafitpor). A vezetı porokat zsírral, olajjal vagy rugalmas polimerekkel (pl.: szilikon) keverik, hogy olyan elektródát készítsenek, mely ellenállása alacsony akkor is amikor az anyag nyújtott állapotban van. Az elektródákat két féle képen viszik fel az anyagra, ecsettel felfestik, ill. festékszóró pisztollyal a felületre szórják.
Lehetséges kialakítások: • Síkbeli kiterjedéső aktuáror • Rétegelt szerkezető aktuátor o Rétegelt (síkok egymásra sütve) o Hajtogatott o Feltekercselt Igénybevétel szerint két típusú aktuátort lehet készíteni, húzó, ill. nyomó aktuátort.
22
A nyomó aktuátorok kialakításánál DE-film egy nyomorugós szerkezetre van feltekerve, melynél a rugónak közönhetıen hosszirányba tud nyúlni az anyag, ha feszültsget kapcsolnak az elektródákra, ám amint megszőnik a feszültség a rugalmas anyagnak (DEAP) köszönhetıen visszaáll eredeti helyzetébe. A húzó aktuátorok esetében a kialakitás, egyszerő feltekrcselésbıl, rétegelésbıl adódik. A feltekert aktuátor feszültség hatására megnyúlik, melyre például lehet súly akasztva, és a feszültség megszőnése következtében az anyag visszaáll eredeti pozíciójába. A rétegelt kialakításnál, annyi a különbség, hogy az anyag keresztirányba nyúlik meg, így feszültség hatására a keresztmetszete nı és a hossza csökken. (6.3. fejezet) Az általuk készített DEAP aktuátorokat a 3M VHB 4910-es anyagából készítették, melyet a használhatóság érdekében géppel nyújtottak, hogy elég vékony anyagok kapjanak. A nyújtás nagysága x és y irányban körülbelül 5 x 5.
23
SPIE könyv
Integrated gas valve array using dielectric elastomer actuator Klausz Fittner, Peter Lotz, Marc Matysek, Michael Schlosser, Helmut F. Schalaak Institute for Elevtromechanical Design, Technishe Universitat Darmstadt Merckstr. 25, D-64283 Darmstadt, Germany A cikk szerzıi DEAP mikro szelepek kialakításával kapcsolatban végeztek tanulmányt, melyek a gáztőzhely gázszelepének helyettesítésére/kicserélésére alkalmas lehet. Elsı lépésben a meglévı gázszelepet tanulmányozták, és az alapján elkészítették az szeleppel kapcsolatos elvárásokat/követelményeket. • Hı-ellenállás a tőzhely miatt • Legegyszerőbb szelep kialakítás, vezérlés Következı lépéskén a DEAP aktuátorokat tanulmányozták, azzal kapcsolatban, hogy milyen módokon lehet belıle aktuátort készíteni. • Lehajló aktuátor • Stack aktuátor • Göngyölt aktuátor • Behorpadó aktuátor • Csuklós aktuátor Szeleppel szembeni követelmények: • A gáz áramlásának szabályozása, tömítés biztosítása • Egyszerő nyitás, zárás • Nyitási irány megegyezzen a gáz áramlásának irányával, vagy merıleges legyen rá. A tanulmány során 7 féle szelepet terveztek. (a könyvben jó képek vannak a kialakításokról és azok mőködésérıl) (behorpadásos, hajlásos, 2 féle stek-kelt, 3 féle győrős kialakítású) Ezeket a következık alapján értékelték: • Bonyolúltság • Alapállapot (zárt/nyitott) • Összeszerelés nehézsége Ezen kritériumok alapján kizárták azokat az akuátorokat, melyek alap állapotban nyitottak, bonyolultság és összeszerelhetıség szerint pedig kiválasztották a legalkalmasabbat (győrős kialakítás anyagvastagság változtatásával).
24
Electroactive polymers for robotics applications editors: Kwang J. Kim, Satoshi Tadokoro (Springer könyv) 1.3. fejezetébıl
Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers editors: Federico Capri, Danilo De Rossi, Roy Kornbluh, Ronald Perline and Peter SommerLarsen 2. fejezetbıl
Elektroaktív polimerek Ezeket az anyagokat mőködési elvük szerint két csoportba sorolják, melybıl egyik az elektromos, másik pedig az ionos elektroaktív polimerek.
Dielektromos polimerek A dielektromos polimerek mőködése az elektromos térerısségen alapul, melyet úgy használnak ki, hogy rugalmas anyagot vonnak be elektromosan vezetı anyaggal mindkét oldalán, majd ezekre feszültséget kapcsolnak. Az elektródákra kapcsolt feszültség által létrejövı térerı hatására a két fegyverzet közeledni próbál egymáshoz, melybıl úgy keletkezik a mozgás, hogy az elektródák vonzása következtében a rugalmas anyag kiszorul, vagyis megnyúlik. A megfelelı elmozdulás miatt anyagtól függıen több kV-os feszültségek szükségesek. Az alkalmazható anyagok köre az anyagok tulajdonságától függ. Elsıdleges szempontok: Fólia kivitelő, minél vékonyabb anyagvastagság Kis rugalmassági állandó (Young modulus) Nagy átütési szilárdság Nagy dielektromos állandó Az eddig kipróbált anyagok közül az akril és a szilikon alapanyagú polimerek váltak be. A legelterjedtebb akril alapanyag a 3M VHB 4910 típusú anyaga, míg a szilikon alapanyagok közül a Danfoss által forgalmazott elektródával bevont fólia. Ionos polimerek Ezek a polimerek mőködésének elve, az ion cserén alapul, mely kis feszültség hatására jön létre. Ezen aktuátoroknak is hasonló a felépítése, mely szerint van egy hordozó polimer, mely mindkét oldalára elektróda kerül fel. Legelterjedtebb anyag a Nafion, melyet a DuPont cég gyárt üzemanyag cellákhoz. Ezeknek az anyagoknak a mőködése, elhajlása, növelhetı a gerjesztı feszültséggel, a nedves környezettel, mely növeli az ionok koncentrációját, és függ a fém elektródáktól. Nafion esetében az említett anyag a H+ anionjait tudja kationokra cserélni.
25
Elektródák gyanánt megfelel az arany, ezüst, palládium, grafit és platina. Ezek közül platinával bevont a legelterjedtebb, mert ennek a legjobb a korrózió állósága, és ez bírja legjobban a deformációt, mely bevonatolással a DuPont cég is gyárt nafiont. Vezetı polimerek A vezetı polimerek elektromosan vezetı természetes anyagokból készülnek. Ezen anyagok elhajlása függ a molekuláris diffúziótól. A leginkább alkalmazott anyagok ebben a témakörben a polipiroll és a polianilin, melyek tulajdonsága függ az elektrolitban oldott só mennyiségétıl. Az anyag élettartamát százról ezerre lehet növelni ionos elektrolit alkalmazásával. A vezetı polimerekbıl készített aktuátorok elérhetik a tíz Newton-os erı kifejtését milliméteres elmozdulások mellett. A lehetséges aktuátor elmozdulásához maximálisan 10 V feszültség alkalmazható, amelyhez tartozó elmozdulás nagyban függ az eszköz mechanikai kialakításától.
26
Magyar Kémiai Folyóirat - Elıadások 114 évfolyam, 4. szám, 2008.
Kis részecskék, nagy kihívások: különleges tulajdonságú lágy anyagok ZRÍNYI Miklós A mágneses gél A Budapest Mőszaki Egyetem Fizikai Kémia Tanszékén fejlesztették ki a mágneses gélt. A gél alkalmasan megválasztott mágneses tér segítségével nyújtható, hajlítható, forgatható és összehúzható. A duzzadás lassúságából és izotróp voltából adódó hátrányok kiküszöbölése indította el újfajta mechanizmusok keresését. Abból indultunk ki, hogy a munkavégzésnek nem feltétele a gél térfogatváltozása, az is elég, ha a méret változik. Az irányított méretváltozást elektromos és/vagy mágneses terekkel érhetjük el. Az ötletet a mágneses folyadék adta. Ez olyan folyadék, amely homogén eloszlású nano-, vagy mikrométeres részecskéket tartalmaz. A kolloid mérettartományba esı részecskék speciális mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek, és azt a látszatot keltik, mintha a folyadék mutatna mágneses tulajdonságokat. A mágneses folyadék a reológiai és mágneses tulajdonságokat kapcsolja össze. Ez adta az ötletet, hogy miért ne lehetne a mágneses és a rugalmas tulajdonságokat egy anyagrendszeren belül összekapcsolni. A gél megfelelıen megválasztott mágneses tér segítségével nyújtható, hajlítható, forgatható és összehúzható. Az alakváltozás jelentıs mértékő és igen gyors. Az elemi mozgások mindegyike könnyedén megvalósítható számítógép segítségével vezérelt elektronikával, ami a mágneses teret kelti. A mágneses gélben lévı közel tíz nanométeres mágneses részecskék teremtik meg a kapcsolatot a mágneses tér és a polimer rugalmassága között. Az inhomogén mágneses tér deformálja a polimert. A deformáció mértéke igen jelentıs. Könnyen megvalósíthatunk 150 %-os nyújtást. A mágneses gél tehát rendkívül nagy magnetostrikciót mutat. A fémek magnetostrikciója nem éri el a 0,02 %-os értéket. A mágneses gél másik különlegessége, hogy a deformációja nem homogén. A deformációt létrehozó erı ugyanis a mágneses tér eloszlásától függ. Mivel ez helyrıl helyre változik, így változik a deformáló erı és vele együtt a deformáció mértéke is. A mágneses tér által elıidézett deformáció nem homogén, mivel a hajtóerı, M∇ H pontról pontra változik a térben (M a mágnesezettség és ∇H a mágneses tér gradiense). Azonban létezik egy olyan tartomány, ahol az energiasőrőség változása elhanyagolható és az eloszlás homogénnek tekinthetı. A mágneses tér térbeli eloszlásától függıen a következı deformációk idézhetıek elı: hajlás, nyúlás, összehúzódás és ezek kombinációja. Elektromágnesek megfelelı elrendezésével megvalósítható olyan eset is, amikor a gél egyik részét nyújtjuk, szomszédos részét pedig összenyomjuk. Mivel a mágneses polarizáció gyorsan megy végbe, ezért a gélek rendkívül gyorsan reagálnak a mágneses tér változására. Ez lehetıvé teszi számunkra a rendkívül bonyolult biológiai mozgások mímelését.
27
Electrical control method for dielectric elastomer Actuators Johannes Kepler University Linz Christoph Keplinger ,Martin Kaltenbrunner, Nikita Arnold, and Siegfried Bauer: Két módon is próbál visszacsatolni az EAP-ról. Az egyik egy CCD kamerás képfeldolgozós módszerrel, a másik az EAP kapacitását mérve következtet annak változásáról. A kettı közötti összefüggést elemzi.
Harbin Institute of Technology (HIT) Jinsong Leng: Analysis and application of dielectric elastomer Összerak sok réteget dielektromos EAP-ból, és azt elemzi. Az aktuátort alkalmazni is próbálja, egy kart mozgat vele.
28
Aquatic Locomotion Robot using IPMC JAPAN – AIST, RIKEN, & Nagoya University M. Yamamura (Nagoya Univ.), K. Takagi (Bio-Mimetic Control Research Center, RIKEN), Z. W. Luo (BMC, RIKEN), K. Asaka (AIST), Y. Hayakawa (Nagoya Univ.) Kisfeszültségő (ionos) EAP-val operálnak. Bemutat egy vezérlést, ahol egymás mögé helyezett EAP csíkokat vezérelnek hullám szerően. Bemutatja a vezérléshez kifejlesztett hardvereket.
29
Limited Angle Rotary Actuator using IPMC Bio-Mimetic Control Research Center, RIKEN, and AIST, Japan K. Takagi (BMC, RIKEN), Z.W. Luo (BMC, RIKEN), K. Asaka (AIST), K. Tahara (BMC, RIKEN) Bemutat egy ionos kisfeszültségő EAP-val megvalósított aktuátort, mely korlátozott mértékben képes elfordítani egy tengelyt.
30
Különleges mőanyagok az orvostechnika szolgálatában Összeállította: Pál Károlyné URL: http://www.muanyagipariszemle.hu/2006/06/kulonleges-muanyagok-az-orvostechnikaszolgalataban-02.pdf A cikkben az orvostudományban alkalmazott mőanyagokról kaphatunk áttekintést, különös tekintettel az EAP anyagokra. A cikk is rávilágít arra, hogy a szervezetben jól használhatók az ionos EAP anyagok, mert a testfolyadékok megfelelı közeget biztosítanak a mőködésükhöz.
Feedback Control of Ionic Polymer Actuators Kiran Mallavarapu, M.S. (Virginia Polytechnic Institute and State University, 2001 Advisor: Donald J. Leo) A disszertáció bemutatja az ionos EAP szabályozásához az egyik lehetséges visszacsatolás kialakítását. A visszacsatolást lézeres távolságmérıvel oldja meg.
31
Charge Control of Ionic Polymers Walter J Robinson (Jr Virginia Polytechnic Institute and State University, 2005 Advisor: Donald J. Leo) A disszertáció azt feszegeti, hogy az ionos EAP-ket áram vezérelten szabályozzák.
TERFENOL-D A Terfenol-D egy olyan anyag, amely mágnenes tér hatására változtatja alakját. Készítenek belıle hangsugárzókat, aktuátorokat. Adatlapja: (FTP szerveren: Terfenol.pdf) Piezós anyagokkal ötvözve is készítenek aktuátort belıle.
Open Loop Nonlinear Optimal Tracking Control of a Magnetostrictive Terfenol-D Actuator William S. Oates 1, Phillip G. Evans 2, Ralph C. Smith 3, and Marcelo J. Dapino 4 A cikk a Terfenol-D -val készített aktuátor vezérlésérıl értekezik.
32
The Development and Implementation of an Ionic Polymer Metal Composite Propelled Vessel Guided by a Goal-Seeking Algorithm. (May 2007) Jason Aaron Vickers, B.S., Texas A&M University Chair of Advisory Committee: Dr. Won-jong Kim (FTP-n: etd-tamu-2007A-MEEN-Vickers.pdf) A projektben egy kis hajómodellt készítenek, melynek az irányítása és meghajtása is ionos EAP-val történik. A hajóban található egy ultrahang vevı, mely a partra helyezett ultrahang adó jelét fogadja. A modell az ultrahang forrás irányába navigálja mindig a hajót. A munkában foglalkoznak az eap-vel, és annak vezérlésével, és a vezérlı szoftverrel.
Robotic Fish Based on a Polymer Actuator Han Wang, Sungkono Surya Tjahyono, Bruce MacDonald, Paul A. Kilmartin, Jadranka Travas-Sejdic, and Rudolf Kiefer Department of Electrical and Computer Engineering And Polymer Electronic Research Centre University of Auckland, New Zealand (FTP-n: paper80final.pdf) A cikkben bemutatnak egy ionos EAP-vel elkészített robothalat. A leírás bemutatja, hogy az ionos EAP-k nem egzaktul szabályozhatók, ezért a hal mozgását elıször betanítják, majd a mőködéshez a már behangolt feszültségprofilt játszák le.
33
