Druckluft-Ventil aus einfacher Folie

Genau dosiert statt „ein“ und „aus“

Forscher der Universität des Saarlandes haben eine neue Art von Schaltern und Ventilen entwickelt, die nur aus hauchdünner Folie bestehen. Sie kommen ohne seltene Erden und Kupfer aus, sind günstig herzustellen, extrem leicht und verbrauchen Energie nur, wenn sie schalten. Das macht sie 500-mal energieeffizienter als Elektromagnet-Ventile.

Ingenieur Marc Hill, wissenschaftlicher Mitarbeiter von Stefan Seelecke, hat den Prototyp des Druckluft-Ventils aus Folie im Rahmen seiner Doktorarbeit mitentwickelt. (Foto: Oliver Dietze / Universität des Saarlandes)

Und: Sie können nicht nur ein- und ausschalten, sondern jede gewünschte Stellung halten. Hierdurch kann etwa Druckluft allein per Ventil exakt dosiert werden, was die Ingenieure der Forschergruppe von Prof. Stefan Seelecke auf der Hannover Messe vom 13. bis 17. April am saarländischen Forschungsstand (Halle 2, Stand B 46) mit ihrem Prototypen zeigen.

Von handelsüblicher Frischhaltefolie unterscheidet sie sich auf den ersten Blick nicht wesentlich. Aber die unscheinbare Siliconfolie hat es in sich: Sie ist die Basis einer neuen Generation von Schaltern, Ventilen oder sogar motorlosen Pumpen. Ingenieure aus dem Forscherteam von Prof. Stefan Seelecke an der Saar-Universität und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik haben die hauchdünne Folie umfunktioniert zu einem wandelbaren technischen Bauteil.

Sie drucken hierzu jeweils einen schwarzen Ring auf beide Seiten der Folie. „Diese elektrisch leitfähige Schicht ermöglicht uns, eine elektrische Spannung an die Folie anzulegen“, erläutert Stefan Seelecke. Wenn die Ingenieure das elektrische Feld verändern, macht die Folie das, was sie wollen: Sie zieht sich zusammen, wölbt sich vor, zieht sich auseinander, hebt und senkt sich. Sie ist also „elektroaktiv“, deshalb auch ihre Bezeichnung als „elektroaktives Polymer“.

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Die besondere Wandlungsfähigkeit nutzen die Ingenieure jetzt im Prototyp eines Druckluft-Ventils. Übliche Elektromagnet-Ventile schalten zwar sehr schnell, mit ihnen lässt sich jedoch die abgegebene Druckluftmenge nur bedingt verändern. Auch verbrauchen diese Energie, um eine bestimmte Position zu halten. „Dies ist beim elektroaktiven Polymer anders. Es verbraucht Energie nur, wenn es tatsächlich die Ventil-Position ändert. Im Vergleich zu Magnet-Ventilen bedeutet das bis zu 500-mal weniger Energieverbrauch“, erklärt Ingenieur Marc Hill. Der wissenschaftliche Mitarbeiter von Stefan Seelecke hat den Prototyp im Rahmen seiner Doktorarbeit mitentwickelt.

Besonderer Vorteil: Mit dem Folien-Ventil ist es möglich, Druckluft exakt nach Bedarf zu dosieren. „Wir setzen die Folie selbst zugleich als Positions-Sensor ein, wodurch wir das Ventil präzise steuern können“, erläutert Prof. Seelecke. Die Forscher können hierfür die einzelnen Stellungen der Folie – also wie sie sich gerade verformt – genau entsprechenden Werten der elektrischen Kapazität zuordnen. „Anhand von Messwerten können wir anschließend also exakte Rückschlüsse auf die Form der Folie, ihre so genannte mechanische Auslenkung, ziehen. Dadurch hat das Bauteil zugleich sensorische Eigenschaften“, sagt Marc Hill. In der Regelungseinheit können auf diesem Wege Bewegungsabläufe genau berechnet und programmiert und so das Ventil präzise nach Bedarf bewegt werden – und zwar in jeder gewünschten Zwischenstellung zwischen „ein“ und „aus“. Auf der Hannover Messe zeigen die Ingenieure ihr Verfahren am Prototyp des Druckluft-Ventils.

Kontakt:
Prof. Dr. Stefan Seelecke (Lehrstuhl für Unkonventionelle Aktorik), E-Mail: stefan.seelecke@mmsl.uni-saarland.de
Benedikt Holz, E-Mail: benedikt.holz@mmsl.uni-saarland.de
Marc Hill, E-Mail: m.hill@mechatronikzentrum.de

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