Leistungselektronik für den Einsatz dielektrischer Elastomere in aktorischen, sensorischen und integrierten sensomotorischen Systemen

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Diss. Reihe Maschinenbau, Band 357

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-01-25
Issue Year
2020
Authors
Landgraf, Maximilian
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-381-6
Abstract

Due to their inherent properties, dielectric elastomers depict a promising technology with high potential for the use in elastic as well as soft mechatronic applications. To establish this technology as a new generation of actuators and sensors, next to research work in material science and suitable manufacturing processes, also novel adaptive power electronics concepts are necessary, which enable the integration of dielectric elastomers in different applications. Therefore, the main research content of this dissertation is the investigation of scalable, universally applicable power electronic methods as well as the solution oriented pointing out of technology related challenges. Thereby, the challenges are regarding the application integration of dielectric elastomer actuators and sensors in different application areas. The addressed research focus in this work is divided into the three operating modes, the actuatory, sensory and the sensorimotor usage of dielectric elastomers. Power electronics concepts are derived and designed for each operation mode. Furthermore, their implementation on dielectric elastomer actuators and sensors is tested and evaluated. The results show that different application cases are addressable with the presented power electronics concepts of separated and combined operation modes. With the established power electronics, actuators can be simultaneously used as sensors, with which external forces can be registered and the actuators’ or in future even the system’s state can be determined without external sensors. Conversely, the realization of active feedback for dielectric elastomers primarily used as sensors is also conceivable.

Abstract

Dielektrischen Elastomeren werden aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften für den Einsatz in elastischen sowie weichen mechatronischen Applikationen ein hohes Potenzial zugesprochen. Um diese Technologie als eine neuartige Generation von Aktoren und Sensoren etablieren zu können, sind neben Forschungsarbeiten in Materialwissenschaften und zu geeigneten Herstellungsprozessen ebenfalls neuartige adaptive Leistungselektronikkonzepte notwendig, welche eine Applikationsintegration dielektrischer Elastomere ermöglichen. Der übergeordnete Forschungsinhalt der Dissertationsschrift ist daher die Erforschung skalierbarer, universell einsetzbarer leistungselektronischer Methoden sowie das lösungsorientierte Aufzeigen technologiebedingter Herausforderungen hinsichtlich der Applikationsintegration von dielektrischen Elastomeraktoren und -sensoren in unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Die in dieser Arbeit adressierten Forschungsschwerpunkte teilen sich auf die drei Betriebsmodi der aktorischen, sensorischen sowie sensomotorischen Nutzung von dielektrischen Elastomeren auf. Leistungselektronikkonzepte werden für den jeweiligen Betrieb hergeleitet, entworfen sowie deren Realisierung an dielektrischen Elastomeraktoren und -sensoren erprobt sowie evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit den vorgestellten leistungselektronischen Konzepten für den separaten und kombinierten Betrieb unterschiedliche Anwendungsfälle adressierbar sind. Dabei werden Aktoren simultan auch als Sensoren nutzbar, mit denen von außen wirkende Krafteinflüsse registriert werden können. Somit ist es möglich, den Aktor- oder in Zukunft gar den Systemzustand ohne externe Sensoren zu erfassen. Umgekehrt ist auch die Realisierung von primär als Sensoren genutzten dielektrischen Elastomeren mit aktivem Feedback denkbar.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
357
Citation
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-380-9
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