AT525092B1

AT525092B1 - Dielektrischer Soft-Aktuator

Info

Publication number: AT525092B1
Application number: ATA50790/2021A
Authority: AT
Inventors: Raguž Ivan; Berer Michael
Original assignee: Polymer Competence Center Leoben Gmbh
Priority date: 2021-10-05
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2022-12-15
Also published as: AT525092A4

Abstract

Verfahren zur Herstellung und zum Betreib eines dielektrischen Soft-Aktuators, sowie dielektrischer Soft-Aktuator umfassend zwei als Dielektrika wirkende Zwischenschichten (1, 2), wobei die Zwischenschichten (1, 2) zur Betätigung des Aktuators elastisch verformbar sind, wobei die Zwischenschichten (1, 2) jeweils beidseitig mit einer Elektrodenschicht (3, 4, 5) versehen sind, wobei die zwei Zwischenschichten (1, 2) derart, insbesondere schubfest, miteinander gekoppelt sind, dass eine unterschiedliche Längenänderung der Zwischenschichten (1, 2) eine Krümmung des Aktuators entlang einer Krümmungskontur (6) bewirkt, wobei die Zwischenschichten (1, 2) und die Elektrodenschichten (3, 4, 5) jeweils aus einem durch additive Fertigung aufgebrachten, insbesondere 3D-gedruckten, Material gefertigt sind.

Description

Beschreibung

DIELEKTRISCHER SOFT-AKTUATOR

[0001] Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Soft-Aktuator, ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Soft-Aktuators und ein Verfahren zum Betrieb eines dielektrischen Soft-Aktuators.

[0002] Das Grundprinzip dielektrischer Soft-Aktuatoren, die meist als Elastomer-Aktuatoren bezeichnet werden, ist seit langer Zeit bekannt. Gemäß Stand der Technik wird ein Elastomerfilm beidseitig mit flächig bzw. folienartig ausgebildeten Elektroden versehen. Wird nun an die beiden Elektroden eine Aktuatorspannung angelegt, so wird der Elastomerfilm quer zu seiner Haupterstreckungsrichtung zusammengedrückt und dehnt sich durch Querkontraktion entlang seiner Haupterstreckungsrichtung aus. Wird die Spannung unterbrochen, so geht der Elastomerfilm selbsttätig wieder in seine Ursprungsform zurück.

[0003] Gemäß Stand der Technik kann ein Stapel einer Vielzahl derartiger Aktuatoren verwendet werden, um bei einer strominduzierten Kontraktion eine ausreichende Längenänderung quer zur Haupterstreckungsrichtung der Schichten bewirken. Diese Konstruktion ist jedoch sehr aufwendig, da für eine relativ kleine Bewegung eine Vielzahl an Aktuatoren benötigt wird.

[0004] Alternativ ist es auch bekannt, einen einzelnen Aktuator an einer Seite eines biegbaren Plättchens anzubringen, das bei der Kontraktion des Aktuators jedoch keine Längenänderung erfährt. Durch die unterschiedliche Ausdehnung entlang der Haupterstreckungsrichtung der beiden Bauelemente kommt es zu einer Krümmung der Anordnung. Der Effekt, der die Krümmung bewirkt, kann mit der kinematischen Funktionsweise eines Bimetallstreiftens verglichen werden. Bei diesen Konstruktionen kommt es in der Praxis aber vor, dass keine ausreichende Bewegungsgenauigkeit sichergestellt werden kann. So kann bei längerem Betrieb ein Kriechen bzw. eine dauerhafte Verbiegung des Aktuators auftreten, womit die Rückstellung in die Nullposition erschwert ist. Zudem sind derartig plättchenförmig aufgebaute Elastomer-Aktuatoren weiche Bauteile, die nur sehr geringe Kräfte aufnehmen können.

[0005] Nachteilig an herkömmlichen dielektrischen Elastomer-Aktuatoren ist auch die aufwendige Herstellung. So muss in einem ersten Schritt ein Elastomerfilm hergestellt und zurechtgeschnitten werden. In einem nächsten Schritt muss der Elastomerfilm mit zwei flächigen Elektroden versehen werden. Dies geschieht entweder durch Beschichten oder durch Aufbringen zuvor gefertigter Elektroden.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen dielektrischen Elastomer-Aktuator zu schaffen, der eine verbesserte Effizienz aufweist. Dies umfasst insbesondere, dass die Funktion des Elastomer-Aktuators verbessert ist. Dies umfasst bevorzugt jedoch auch, dass die Herstellung des dielektrischen Elastomer-Aktuators effizienter gestaltet werden kann.

[0007] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

[0008] Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Aktuator, insbesondere einen Soft-Aktuator, umfassend zwei als Dielektrika wirkende Zwischenschichten, wobei die Zwischenschichten zur Betätigung des Aktuators elastisch verformbar sind, wobei die Zwischenschichten jeweils beidseitig mit einer Elektrodenschicht versehen sind, wobei die zwei Zwischenschichten derart, insbesondere schubfest, miteinander gekoppelt sind, dass eine unterschiedliche Längenänderung der Zwischenschichten eine Krümmung des Aktuators entlang einer Krümmungskontur bewirkt.

[0009] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten und die Elektrodenschichten jeweils aus einem durch additive Fertigung aufgebrachten, insbesondere 3D- gedruckten, Material gefertigt sind.

[0010] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten derart ausgebildet sind, dass sie zur Betätigung des Aktuators elastisch verformbar sind. Insbesondere, dass sie durch Anlegen

einer Aktuatorspannung an die beiden Elektrodenschichten der jeweiligen Zwischenschicht von den Elektrodenschichten zusammengedrückt werden und dadurch ihre Länge ändern.

[0011] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten und die Elektrodenschichten konsekutiv schichtweise aufeinander durch additive Fertigung gebildete, insbesondere 3D-gedruckte, Schichten sind.

[0012] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass mindestens eine Elektrodenschicht, bevorzugt alle Elektrodenschichten, jeweils aus mindestens einem 3D-gedruckten, elektrisch leitenden Leiterstreifen gebildet ist oder sind.

[0013] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Leiterstreifen insbesondere ein durch einen 3DDruckkopf aufgetragener Streifen ist.

[0014] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der mindestens eine Leiterstreifen mehrere Hauptleiter und mehrere Verbindungsleiter aufweist.

[0015] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Hauptleiter quer zur Krümmungskontur und nebeneinander, insbesondere beabstandet voneinander, verlaufen.

[0016] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Verbindungsleiter die Hauptleiter elektrisch leitend miteinander verbinden.

[0017] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Leiterstreifen mäanderförmig oder schlangenförmig verläuft.

[0018] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der mindestens eine Leiterstreifen eine kinematische Struktur bildet.

[0019] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die kinematische Struktur entlang unterschiedlicher Richtungen unterschiedliche Biegesteifigkeiten aufweist.

[0020] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die kinematische Struktur den Verlauf der Krümmungskontur und die Krümmungseigenschaften des Aktuators bestimmt.

[0021] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten jeweils aus mindestens einem 3D-gedruckten, dielektrisch wirkenden Zwischenschichtstreifen gebildet sind.

[0022] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der oder die Zwischenschichtstreifen eine elektrische Isolierschicht bilden.

[0023] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten jeweils mehrere übereinander 3D-gedruckte Schichten aus Zwischenschichtstreifen umfassen, insbesondere dass die Zwischenschichten jeweils eine Dicke von mehr als 0,1 mm, insbesondere von mehr als 0,15mm aufweisen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten jeweils eine Dicke von weniger als 0,5 mm, insbesondere von weniger als 0,2 mm aufweisen.

[0024] Der Aktuator kann folgende Komponenten umfassen:

- eine erste Zwischenschicht, die auf einer Seite mit einer ersten Elektrodenschicht und auf ihrer anderen Seite mit einer zweiten Elektrodenschicht versehen ist,

- eine zweite Zwischenschicht, die auf einer Seite mit der zweiten Elektrodenschicht und auf ihrer anderen Seite mit einer dritten Elektrodenschicht versehen ist,

- wobei der Aktuator bevorzugt nur diese bzw. keine weiteren Zwischenschichten oder Elektrodenschichten aufweist.

[0025] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die erste Elektrodenschicht eine 3D-gedruckte Schicht ist, dass die erste Zwischenschicht eine auf die erste Elektrodenschicht 3D-gedruckte Schicht ist, dass die zweite Elektrodenschicht eine auf die erste Zwischenschicht 3D-gedruckte Schicht ist, dass die zweite Zwischenschicht eine auf die zweite Elektrodenschicht 3D-gedruckte Schicht ist, und dass die dritte Elektrodenschicht eine auf die zweite Zwischenschicht 3D-gedruckte Schicht ist.

[0026] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die zweite Elektrodenschicht als Elektrodenschicht für die erste Zwischenschicht und für die zweite Zwischenschicht wirkt.

[0027] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Elektrodenschichten und die Zwischenschichten zusammen einen flächigen Körper ergeben.

[0028] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der flächige Körper plättchenförmig, streifenförmig, plan oder gewellt ausgebildet ist.

[0029] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Wirkrichtung des Aktuators im Wesentlichen quer zur Haupterstreckungsrichtung der Elektrodenschichten, der Zwischenschichten und des flächigen Körpers verläuft.

[0030] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Elektrodenschichten aus einem für Filament3D-Druck geeigneten, elektrisch leitendem Material, insbesondere aus elektrisch leitfähigem Thermoplast, beispielsweise aus leitfähigem TPU, aus leitfähigem PLA oder aus einem mit Metallpartikeln versehenen Filament gebildet sind. Als am Markt erhältliche Produkte können hier beispielsweise Eel 3D Printer Filament (90A) NinjaTek oder Proto-Pasta - Composite PLA Filament - ESD/Conductive - Schwarz - 1.75 mm genannt werden.

[0031] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass mindestens eine Zwischenschicht oder alle Zwischenschichten aus einem für Filament-3D-Druck geeigneten, dielektrisch wirkenden Material, insbesondere aus TPU, aus einem Formgedächtnispolymer (SMP), oder aus einem Polymer, das zwischen zwei unterschiedlichen Betriebstemperaturen seine Glasübergangstemperatur hat, gebildet ist oder sind. Als am Markt erhältliche Produkte können hier beispielsweise TPU - NinjaFlex 3D Printer Filament (85A) oder SMP - CONVENA polymers SMP 55 series filament genannt werden.

[0032] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Elektrodenschichten dazu eingerichtet sind, einander durch Anlegen einer elektrischen Aktuatorspannung anzuziehen.

[0033] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, das Material der Zwischenschicht(en) (über dessen Glasübergangstemperatur zu erwärmen.

[0034] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass mindestens eine Elektrodenschicht, insbesondere die zweite Elektrodenschicht, dazu eingerichtet ist, das Material der Zwischenschicht(en) durch Anlegen einer Heizspannung über dessen Glasübergangstemperatur zu erwärmen, wodurch die Elektrodenschicht ein Teil der Heizvorrichtung ist und insbesondere das Heizelement der Heizvorrichtung bildet.

[0035] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass für jede Elektrodenschicht ein elektrischer Anschluss vorgesehen ist, wobei der elektrische Anschluss bevorzugt aus einem durch additive Fertigung aufgebrachten, insbesondere 3D-gedruckten, Material gefertigt bzw. mit der jeweiligen Elektrodenschicht in einem Arbeitsgang mitgedruckt ist.

[0036] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist, dass die Steuerungsvorrichtung derart elektrisch mit den Elektrodenschichten verbunden ist, dass wahlweise zwischen zwei Elektrodenschichten eine Aktuatorspannung angelegt werden kann, um wahlweise eine Längenänderung einer Zwischenschicht zu bewirken.

[0037] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung derart elektrisch mit den Elektrodenschichten verbunden ist, dass mindestens eine der Elektrodenschichten die Zwischenschichten über deren Glasübergangstemperatur erwärmt.

[0038] Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Soft-Aktuators, wobei zwei als Dielektrika wirkende Zwischenschichten gebildet werden, die jeweils beidseitig mit einer Elektrodenschicht versehen werden, wobei die zwei Zwischenschichten derart, insbesondere schubfest, miteinander gekoppelt werden, dass eine unterschiedliche Längenänderung der Zwischenschichten eine Krümmung des Aktuators entlang einer Krümmungskontur bewirkt.

[0039] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten und die Elektrodenschichten durch additive Fertigung, insbesondere durch 3D-Druck gebildet werden.

[0040] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten und die Elektrodenschichten konsekutiv schichtweise aufeinander durch additive Fertigung, insbesondere durch 3D-Druck, gebildet werden.

[0041] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass mindestens eine Elektrodenschicht, bevorzugt alle Elektrodenschichten, jeweils aus mindestens einem 3D-gedruckten, elektrisch leitenden Leiterstreifen gebildet werden, wobei der Leiterstreifen insbesondere durch einen 3D-Druckkopf aufgetragen wird.

[0042] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass durch Bildung des mindestens einen Leiterstreifens eine kinematische Struktur gebildet wird, und dass durch die Wahl der kinematischen Struktur der Verlauf der Krümmungskontur und die Krümmungseigenschaften des Aktuators bestimmt werden.

[0043] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten jeweils aus mindestens einem 3D-gedruckten, dielektrisch wirkenden Zwischenschichtstreifen gebildet werden.

[0044] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der oder die Zwischenschichtstreifen eine elektrische Isolierschicht bilden.

[0045] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten jeweils durch mehrere übereinander 3D-gedruckte Schichten aus Zwischenschichtstreifen gebildet werden.

[0046] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass eine erste Elektrodenschicht 3D-gedruckt wird, dass eine erste Zwischenschicht auf die erste Elektrodenschicht 3D-gedruckt wird, dass eine zweite Elektrodenschicht auf die erste Zwischenschicht 3D-gedruckt wird, dass eine zweite Zwischenschicht auf die zweite Elektrodenschicht 3D-gedruckt wird, und dass eine dritte Elektrodenschicht auf die zweite Zwischenschicht 3D-gedruckt wird.

[0047] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass für jede Elektrodenschicht ein elektrischer Anschluss vorgesehen wird, wobei der elektrische Anschluss bevorzugt aus einem durch additive Fertigung aufgebrachten, insbesondere 3D-gedruckten, Material gefertigt bzw. mit der jeweiligen Elektrodenschicht in einem Arbeitsgang mitgedruckt wird.

[0048] Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators, bei dem vorgesehen ist, dass zwischen einer ersten durch additive Fertigung gebildeten Elektrodenschicht und einer zweiten durch additive Fertigung gebildeten Elektrodenschicht eine elektrische Aktuatorspannung angelegt wird, wobei sich durch Anlegen der Aktuatorspannung: die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht anziehen, dadurch eine zwischen den zwei Elektrodenschichten angeordnete durch additive Fertigung gebildete erste Zwischenschicht zusammendrücken, dadurch die Länge der ersten Zwischenschicht gegenüber einer weiteren durch additive Fertigung gebildeten zweiten Zwischenschicht vergrößern, und sich der Aktuator entlang einer Krümmungskontur krümmt.

[0049] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass anschließend die elektrische Aktuatorspannung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht reduziert oder unterbrochen wird, dass zwischen der zweiten Elektrodenschicht und einer dritten durch additive Fertigung gebildeten Elektrodenschicht eine elektrische Aktuatorspannung angelegt wird, wobei sich durch Anlegen der Aktuatorspannung: die zweite Elektrodenschicht und die dritte Elektrodenschicht anziehen, dadurch die zwischen den zwei Elektrodenschichten angeordnete zweite Zwischenschicht zusammendrücken, dadurch die Länge der zweiten Zwischenschicht gegenüber der ersten Zwischenschicht vergrößern und sich der Aktuator in die entgegengesetzte Richtung krümmt.

[0050] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass zur Betätigung des Aktuators mindestens eine Zwischenschicht durch Betätigung einer Heizvorrichtung, insbesondere durch Anlegen einer Heizspannung an mindestens eine Elektrodenschicht, über deren Glasübergangstemperatur erwärmt wird.

[0051] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Aktuator in einem durch Anziehung zweier Elektrodenschichten gekrümmten Zustand dadurch verfestigt wird, dass eine Abkühlung der mindes-

tens einen Zwischenschicht auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Materials der Zwischenschicht erfolgt, insbesondere dass die Abkühlung durch Reduktion oder Abschaltung der Heizspannung erfolgt.

[0052] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zwischenschichten und die Elektrodenschichten durch additive Fertigung, bevorzugt durch einen 3D-Drucker, hergestellt werden. Insbesondere soll der Aktuator bevorzugt durch einen Filament-3D-Drucker nach dem FFF oder dem FDM Verfahren hergestellt werden. Bevorzugt verarbeitet der 3D-Drucker zwei unterschiedliche Filamente, wobei aus einem der Filamente die Elektrodenschichten und aus dem anderen Filament die Zwischenschichten gebildet werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Aktuator in einem einzigen Druckervorgang des 3D-Druckers hergestellt wird. Insbesondere ist dies möglich, wenn der 3DDrucker das Drucken mehrerer Materialien erlaubt.

[0053] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Druckkopf des 3D-Druckers das Druckmaterial streifenförmig ausgibt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Leiterstreifen ein direkt aus dem Druckkopf ausgegebener Streifen des Druckkopfes ist. Bevorzugt wird ein Leiterstreifen bei unterbrechungsfreier Förderung des Druckmaterials in einem Arbeitsgang als durchgehender Leiterstreifen gedruckt. Dadurch kann die Leitfähigkeit entlang des gesamten Leiterstreifens verbessert sein. Bevorzugt weist der Leiterstreifen eine Kontur bzw. eine Form auf, die in einem kontinuierlichen Prozess gedruckt werden kann. Insbesondere kann die Form des Leiterstreifens mäanderförmig sein.

[0054] Der Leiterstreifen bildet durch seine Steifigkeit eine kinematische Struktur. Durch Wahl des Musters, in dem der Leiterstreifen aufgetragen oder angeordnet ist, kann die kinematische Struktur in unterschiedliche Richtungen unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen.

[0055] Bevorzugt werden die Hauptleiter beabstandet voneinander angeordnet und durch die Verbindungsleiter miteinander verbunden. Insbesondere können die Hauptleiter rippenförmig bzw. parallel zueinander verlaufend angeordnet sein. Quer zum Verlauf der Hauptleiter hat dadurch die kinematische Struktur eine kleinere Steifigkeit als entlang der Hauptleiter, da durch die Beabstandung der Hauptleiter zueinander zwischen den Hauptleitern die Steifigkeit herabgesetzt ist. Jedoch kann eine freie Wahl des Verlaufs der Hauptleiter und der Verbindungsleiter erfolgen, sodass die kinematische Struktur die gewünschten Krümmungseigenschaften des Aktuators bestimmt bzw. mitbestimmt.

[0056] Insbesondere kann der Leiterstreifen leiterförmig, mäanderförmig, rippenförmig oder in einer anderen beliebigen Form ausgebildet sein.

[0057] Gegebenenfalls kann der Leiterstreifen in allen Ausführungsformen eine Breite von 0,1 bis 1mm aufweisen.

[0058] Gegebenenfalls können die Hauptleiter in allen Ausführungsformen einen Abstand von 0,1 bis 1mm aufweisen.

[0059] Gegebenenfalls können die Hauptleiter in allen Ausführungsformen eine Länge von 5 bis 100 mm, insbesondere eine Länge von 5 bis 50 mm aufweisen.

[0060] Als exemplarische Größe kann beispielsweise ein Aktuator mit einer Größe von etwa 70x40 mm genannt werden.

[0061] Die Zwischenschichten werden bevorzugt durch einen 3D-Druckkopf aufgetragen. Auch die Zwischenschichten können aus Streifen gebildet sein, wobei die Abschnitte der Zwischenschichtstreifen einander bevorzugt überlappen oder direkt aneinander anliegen, um eine durchgehende Zwischenschicht zu bilden. Insbesondere kann die Zwischenschicht mehrere übereinander liegende Zwischenschichtstreifen umfassen. Beispielsweise kann die Zwischenschicht durch zwei, drei oder mehr übereinander gedruckte Zwischenschichtstreifen gebildet sein. Die Zwischenschichtstreifen der unterschiedlichen Schichten können kreuzweise zueinander verlaufen, damit eine im Wesentlichen durchgehende unterbrechungsfreie Zwischenschicht gebildet wird. Die Zwischenschicht weist durch einen durchgehenden, unterbrechungsfreien Aufbau die notwendigen Isolatoreigenschaften auf, sodass ein Spannungsdurchschlag verhindert wird.

[0062] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Aktuator fünf Schichten auf, insbesondere drei Elektrodenschichten und zwei Zwischenschichten, wobei die Schichten abwechselnd angeordnet sind.

[0063] Der Aktuator ist bevorzugt plättchenförmig, streifenförmig, plan oder gewellt ausgebildet. Bevorzugt weist der Aktuator in allen Ausführungsformen eine um ein Vielfaches größere Erstreckung entlang der Haupterstreckungsrichtung als quer zur Haupterstreckungsrichtung auf. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, durch eine Längenänderung einer der Zwischenschichten eine Verbiegung bzw. Krümmung des Aktuators entlang einer Krümmungskontur zu bewirken. Die Krümmungsbewegung erfolgt quer zur Haupterstreckungsrichtung des Aktuators.

[0064] Die Zwischenschichten können als Elastomerschichten ausgebildet sein oder zumindest in einem gewissen Betriebsbereich wie Elastomerschichten wirken. Zur aktiven Betätigung des Aktuators durch Anlegen einer Aktuatorspannung ist die jeweilige Zwischenschicht elastisch verformbar.

[0065] Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Zwischenschicht aus einem Material gefertigt ist, das im Betriebstemperaturbereich des Aktuators seine Glasübergangstemperatur hat. Insbesondere kann eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, die die Zwischenschicht bzw. dessen Material bei Betätigung der Heizanordnung über die Glasübergangstemperatur erwärmt. Wird die Heizvorrichtung deaktiviert, so kann sich das Material wieder auf eine Temperatur abkühlen, die unterhalb der Glasübergangstemperatur liegt. Dieser Effekt kann dazu genutzt werden, die Elastizitätseigenschaften bzw. die Steifigkeit der Zwischenschichten anzupassen bzw. zu wählen. Liegt die Temperatur des Materials der Zwischenschicht oberhalb der Glasübergangstemperatur, so kann der Aktuator als dielektrischer Elastomer-Aktuator wirken. Liegt die Temperatur der Zwischenschichten unterhalb der Glasübergangstemperatur, so ist die Zwischenschicht versteift, und im Wesentlichen in ihrer Form festgelegt. Die Festlegung der Form des Aktuators kann in der Grundstellung aber auch in einer aus der Grundstellung veränderten, gekrümmten Form erfolgen.

[0066] Bevorzugt wirkt eine der Elektrodenschichten in synergetischer Weise einerseits als Elektrode des Aktuators und andererseits als Heizelement der Heizvorrichtung.

[0067] Bevorzugt ist vorgesehen, dass jene Elektrodenschichten, die ausschließlich als Elektrode für die dielektrische Kontraktion eingesetzt werden, lediglich einen einzigen elektrischen Anschluss aufweisen. Von diesem elektrischen Anschluss verläuft bevorzugt ein durchgehender Elektrodenstreifen entlang der Elektrodenschicht.

[0068] Bevorzugt ist vorgesehen, dass jene Elektrodenschicht, die als Heizelement der Heizvorrichtung wirkt, zwei elektrische Anschlüsse aufweist. Zur Wirkung als Heizelement wird die Heizspannung zwischen diesen beiden Anschlüssen der Elektrodenschicht angelegt. Die Heizspannung liegt beispielsweise im Bereich von 10 V bis 200, bevorzugt bis 150 V, insbesondere bis 130 V. Die Aktuatorspannung, die lediglich an einem Anschluss angelegt wird, liegt beispielsweise im Bereich von 200 V bis 5 kV.

[0069] Die Erwärmung des Materials der Zwischenschicht über die Glasübergangstemperatur ist eine Möglichkeit, die Eigenschaften, insbesondere die Festigkeitseigenschaften, der Zwischenschicht zu verändern. Es können auch andere, herkömmliche Mittel zur Anderung des Materials wie beispielsweise Druck oder Magnetfelder zum Einsatz kommen.

[0070] Bevorzugt ist das Material der Zwischenschicht ein thermoplastisches Polymer mit einer Glasübergangstemperatur, die oberhalb der Umgebungstemperatur, insbesondere oberhalb von 20° C liegt.

[0071] Geeignete Materialien zur Bildung der Zwischenschicht sollten insbesondere folgende Ei-

genschaften aufweisen:

- eine hohe dielektrische Konstante, um eine gute Umsetzung der elektrischen Spannung zu einer mechanischen Kraft zu ermöglichen;

- Eine gute elektrische Spannungsdurchschlagfestigkeit bzw. eine gute Isolatorwirkung;

- 3D-Druckbarkeit;

- Gegebenenfalls einen Wechsel der Steifigkeit mit dem Glasübergang;

- Gegebenenfalls eine Glasübergangstemperatur, die innerhalb des Betriebsbereichs des Aktuators liegt.

- ein niedriger Elastizitätsmodul im erweichten, elastomerartigen Zustand.

[0072] Beispielsweise kann ein herkömmliches Formgedächtnispolymer, also ein sogenanntes Shape-Memory-Polymer zum Einsatz kommen.

[0073] Zur Betätigung des Aktuators wird zwischen zwei Elektrodenschichten eine Aktuatorspannung angelegt. Die Elektrodenschichten umfassen bevorzugt jeweils eine Vielzahl an Hauptleitern, die durch Verbindungsleiter miteinander verbunden sind. Die Hauptleiter der beiden auf eine Zwischenschicht wirkenden Elektrodenschichten können im Wesentlichen deckungsgleich übereinander angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können Hauptleiter auch versetzt zueinander angeordnet sein. Insbesondere können die Hauptleiter der einen Elektrodenschicht versetzt und insbesondere parallel versetzt zu den Hauptleitern der weiteren Elektrodenschicht einer Zwischenschicht angeordnet sein. Durch diesen Versatz kann die Homogenität des elektrischen Feldes verbessert werden.

[0074] In weiterer Folge wird die Erfindung anhand von Figuren weiter beschrieben.

[0075] Die Figuren 1a und 1b zeigen schematische Ansichten eines Aktuators in unterschiedlichen Betriebsstellungen.

[0076] Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Zwischenschicht.

[0077] Die Fig. 3 und Fig. 4 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungen einer Elektrodenschicht, in einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung.

[0078] Wenn nicht anders angegeben, so entsprechen die Bezugszeichen folgenden Komponenten: erste Zwischenschicht 1, zweite Zwischenschicht 2, erste Elektrodenschicht 3, zweite Elektrodenschicht 4, dritte Elektrodenschicht 5, Krümmungskontur 6, Leiterstreifen 7, Hauptleiter 8, Verbindungsleiter 9, Haupterstreckungsrichtung 10, Heizvorrichtung 11, elektrischer Anschluss 12, Zwischenschichtstreifen 13.

[0079] Fig. 1a zeigt eine schematische Ansicht eines Aktuators oder Soft-Aktuators, der insbesondere als dielektrischer Elastomer-Aktuator ausgebildet ist oder zumindest wie ein dielektrischer Elastomer-Aktuator wirkt. Dieser weist eine erste Zwischenschicht 1 und eine zweite Zwischenschicht 2 auf. Die Zwischenschichten 1, 2 sind jeweils beidseitig mit Elektrodenschichten 3, 4, 5 versehen. Insbesondere weist die erste Zwischenschicht 1 an einer Seite eine erste Elektrodenschicht 3 und an ihrer anderen Seite eine zweite Elektrodenschicht 4 auf. Auch die zweite Zwischenschicht 2 ist beidseitig mit einer Elektrodenschicht versehen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Zwischenschicht 2 auf ihrer einen Seite mit der zweiten Elektrodenschicht 4 und auf der anderen Seite mit einer dritten Elektrodenschicht 5 versehen. Dadurch wirkt die zweite Elektrodenschicht 4 als Elektrodenschicht für die erste Zwischenschicht 1 und für die zweite Zwischenschicht 2. Es entspricht jedoch auch dem Erfindungsgedanken, dass die mittlere Elektrodenschicht durch zwei Elektrodenschichten gebildet ist, wobei jeder Zwischenschicht dadurch eine eigene Elektrodenschicht zugeordnet ist.

[0080] Die erste Zwischenschicht 1 und die zweite Zwischenschicht 2 sind miteinander verbunden oder gekoppelt, wobei diese Verbindung insbesondere über eine Elektrodenschicht erfolgt.

[0081] Bevorzugt sind die Schichten des Aktuators in allen Ausführungsformen flächig miteinander verbunden, wobei diese Verbindung bevorzugt eine stoffschlüssige Verbindung ist, die dadurch gebildet wird, dass die Schichten mit einem 3D-Drucker aufeinander gedruckt werden.

[0082] Die gezeigte Stellung ist beispielsweise eine Stellung, in der keine Aktuatorspannung an die Elektrodenschichten 3, 4, 5 angelegt ist. Wird nun eine Aktuatorspannung zwischen der zweiten Elektrodenschicht 4 und der dritten Elektrodenschicht 5 angelegt, so wird der Aktuator entlang der Krümmungskontur 6 gekrümmt, wie mit der strichlierten Kontur angedeutet. Die Krümmungskontur 6 kann insbesondere durch Wahl der elektrischen Aktuatorspannung verändert bzw. ein-

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gestellt werden. Durch das Anlegen der Aktuatorspannung wie in Fig. 1a gezeigt, wird die zweite Zwischenschicht 2 zwischen ihren beiden Elektrodenschichten, also zwischen der zweiten Elektrodenschicht 4 und der dritten Elektrodenschicht 5 eingeklemmt, womit sich durch Querkontraktion die Länge entlang der Haupterstreckungsrichtung 10 vergrößert. Da eine Verlängerung der ersten Zwischenschicht 1 in diesem Fall nicht auftritt, krümmt sich der Aktuator. Wird die Aktuatorspannung reduziert bzw. auf null gestellt, so geht die zweite Zwischenschicht 2 wieder in ihre ursprüngliche Stellung zurück und der Aktuator befindet sich wieder in seiner Ausgangsposition.

[0083] Fig. 1b zeigt dieselbe schematische Darstellung des Aktuators wie Fig. 1a. Jedoch ist in Fig. 1b die Aktuatorspannung bei der ersten Zwischenschicht 1 angelegt, womit diese zwischen der ersten Elektrodenschicht 3 und der zweiten Elektrodenschicht 4 wirkt. In diesem Fall wird die erste Zwischenschicht 1 durch die beiden Elektrodenschichten 3, 4 zusammengedrückt und deren Länge in Haupterstreckungsrichtung 10 wird vergrößert. Dadurch kann der Aktuator in die Gegenrichtung gekrümmt werden, wie mit der strichlierten Kontur angedeutet ist.

[0084] Die Herstellung der beschriebenen 5-Schicht-Einheit ist bevorzugt mittels konventionellem FFF 3D-Drucker mit zwei Extrudern möglich. Für die Herstellung ist es gegebenenfalls möglich, konventionelle 3D-Druckfilamente, die bereits am Markt sind, zu verwenden. Für die Zwischenschicht 1, 2 kann in allen Ausführungsformen gegebenenfalls weiches TPU verwendet werden. Für die Elektrodenschicht 3, 4, 5 kann in allen Ausführungsformen gegebenenfalls elektrisch leitfähiges TPU Filament verwendet werden.

[0085] Der Aktuator kann bevorzugt zur Gänze mittels 3D-Druck und in integraler Bauweise ohne weitere Prozessschritte gefertigt werden.

[0086] Um die Steifigkeit der Elektrodenschichten 3, 4, 5 zu wählen, sind sie bevorzugt nicht als volle Fläche ausgeführt, sondern als beabstandete Leiterstreifen 7. Dadurch ist es möglich, die Nachgiebigkeit und damit die Verformbarkeit der Elektrodenschichten 3, 4, 5 gegenüber einer vollflächigen Ausführung desselben Elektroden-Materials deutlich zu verbessern.

[0087] Die dielektrische Zwischenschicht 1, 2 wird bevorzugt aus mehreren dünneren Schichten gefertigt, um eine bessere Homogenität im 3D-Druck zu erreichen. Dadurch werden die Durchschlagfestigkeit und in weiterer Folge die erreichbare Bewegungsamplitude gegenüber 3D-gedruckten 1-Schicht Membranen erhöht.

[0088] Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Zwischenschicht 1, 2. Bevorzugt ist diese Zwischenschicht 1, 2 durch additive Fertigung, insbesondere durch 3D-Druck hergestellt. In Fig. 2 ist ein möglicher Aufbau einer Zwischenschicht 1, 2 gezeigt, die durch einen Filament-3DDrucker hergestellt wurde. Hierbei wird eine im Wesentlichen durchgehende unterbrechungsfreie Schicht gedruckt, die durch mindestens einen Zwischenschichtstreifen 13 gebildet wird. Die Stränge des Zwischenschichtstreifens 13 sind im Wesentlichen direkt aneinander anliegend aufgetragen, um Spalte zwischen den Zwischenschichtstreifen 13 zu verhindern. Bevorzugt ist die Zwischenschicht 1, 2 mehrschichtig aufgebaut, wobei mehrere Zwischenschichtstreifen 13 bzw. Schichten aus Zwischenschichtstreifen 13 übereinander gelegt sind. Beispielsweise können zwei, drei oder mehr von einem 3D-Drucker aufgetragene Schichten eine Zwischenschicht 1, 2 bilden.

[0089] Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Elektrodenschicht 3, 4, 5 in einer stark vereinfachten Darstellung. Die Elektrodenschicht 3, 4, 5 umfasst einen Leiterstreifen 7, der sich in der vorliegenden Ausführungsform mäanderförmig bzw. schlangenförmig erstreckt, um die Elektrodenschicht 3, 4, 5 zu bilden. Der Leiterstreifen 7 umfasst mehrere Hauptleiter 8, die durch Verbindungsleiter 9 miteinander leitend verbunden sind. Die Hauptleiter 8 verlaufen in der vorliegenden Ausführungsform beabstandet voneinander und nebeneinander. Um dennoch eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen, sind die Hauptleiter 8 durch Verbindungsleiter 9 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Hauptleiter 8 sind in dieser Ausführungsform an einer Stelle elektrisch leitend mit dem jeweils benachbarten Hauptleiter 8 verbunden. Die Hauptleiter 8 verlaufen in der vorliegenden Ausführungsform rippenförmig. Durch diese rippenförmige Ausgestaltung weist die Elektrodenschicht 3, 4, 5 entlang des Verlaufs der Rippen eine größere Biegesteifigkeit auf als quer zu den Rippen. Durch die Ausgestaltung der Leiterstreifen 7 wird

eine kinematische Struktur gebildet, die die Biegesteifigkeit bzw. das Krümmungsverhalten des Aktuators beeinflusst. Zudem weist die Elektrodenschicht 3, 4, 5 einen elektrischen Anschluss 12 auf, an den die Aktuatorspannung angelegt werden kann.

[0090] Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer möglichen Ausgestaltung einer Elektrodenschicht in einer stark vereinfachten Darstellung. Die Elektrodenschicht 3, 4, 5 umfasst einen Leiterstreifen 7 mit Hauptleitern 8 und Verbindungsleitern 9. Ahnlich der Ausführungsform der Fig. 3 verlaufen die Hauptleiter 8 im Wesentlichen beabstandet zueinander und nebeneinander. Zur elektrischen Verbindung sind die Verbindungsleiter 9 vorgesehen. Durch die Form der Leiterstreifen 7 wird eine kinematische Struktur gebildet, die die Krümmungseigenschaften des Aktuators beeinflusst bzw. bestimmt. Die Konfiguration gemäß Fig. 4 ist jedoch nicht mäander- bzw. schlangenförmig, sondern leiterförmig. Insbesondere umfasst der Leiterstreifen 7 mehrere parallel und beabstandet voneinander verlaufende Hauptleiter 8 und beidseitig der Hauptleiter 8 verlaufenden Verbindungsleiter 9. Die Hauptleiter 8 sind in dieser Ausführungsform an zwei Stellen elektrisch leitenden mit dem jeweils benachbarten Hauptleiter 8 verbunden.

[0091] Die Elektrodenschicht gemäß Fig. 4 umfasst zwei elektrische Anschlüsse 12. Zum Anlegen der Aktuatorspannung ist es ausreichend, diese an einen elektrischen Anschluss 12 anzulegen, da die Aktuatorspannung zwischen zwei Elektrodenschichten wirkt. Die Elektrodenschicht gemäß Fig. 4 ist jedoch zudem als Heizelement einer Heizvorrichtung 11 ausgebildet. So kann durch Anlegen einer Heizspannung zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen 12 der gleichen Elektrodenschicht 3, 4, 5, der Leiterstreifen 7 bzw. die Elektrodenschicht 3, 4, 5 als Heizelement wirken.

[0092] Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine als Heizelement der Heizvorrichtung ausgebildete Elektrodenschicht 3, 4, 5 einen Leiterstreifen 7 aufweist, der ausgebildet ist, wie der Leiterstreifen 7 gemäß Fig. 3, wobei aber beide Enden des Leiterstreifens 7 einen elektrischen Anschluss 12 aufweisen.

[0093] Gegebenenfalls kann der Leiterstreifen 7 auch mäanderförmig von einem Anschluss 12 bis ans gegenüberliegende Ende der Elektrodenschicht 3, 4, 5 verlaufen - und dann wieder zurück zum anderen Ende, um dort den zweiten Anschluss 12 zu bilden.

[0094] In weiterer Folge werden exemplarische Schritte zur Herstellung des Aktuators beschrieben:

[0095] Zuerst kann ein dreidimensionales Computermodell von dem zu bildenden Aktuator erstellt werden. Die Form des Aktuators kann, wie in den Figuren dargestellt, plättchenförmig bzw. streifenförmig ausgebildet sein. Grundsätzlich kann ein derartiger Aktuator jedoch eine beliebige Form aufweisen und auch ein Teil eines komplexen Bauteils sein. So kann beispielsweise der Aktuator dazu verwendet werden, einen Teil einer Vorrichtung beweglich auszubilden, wobei die Vorrichtung bevorzugt ebenfalls eine 3D-gedruckte Vorrichtung ist. Dadurch können die Vorrichtung und der Aktuator im Wesentlichen in einem Arbeitsschritt auf einem 3D-Drucker hergestellt werden.

[0096] Wie bei additiver Fertigung üblich, wird ein Druckmaterial schichtweise aufgetragen, um eine gewünschte Form zu erhalten. Grundsätzlich können unterschiedliche additive Fertigungsverfahren angewendet werden.

[0097] Bevorzugt kommt jedoch ein Filament-3D-Drucker zum Einsatz. Zur Herstellung der in den Figuren dargestellten Ausgestaltungen des Aktuators kann in einem ersten Schritt eine erste Elektrodenschicht 3 auf das Druckbett oder eine Stützstruktur gedruckt werden und die erste Elektrodenschicht 3 kann beispielsweise wie in Fig. 3 gezeigt ausgebildet sein. Bevorzugt wird ein durchgehender Leiterstreifen 7 gedruckt, der elektrisch leitend ausgebildet ist, um eine Elektrode bilden zu können. Die Form, in der der Leiterstreifen 7 aufgetragen wird, definiert eine kinematische Struktur, die in weiterer Folge die Biegeeigenschaften des Aktuators beeinflusst oder zumindest mitbeeinflusst. Beispielsweise können die Leiterstreifen 7 bzw. die Hauptleiter 8 rippenförmig, also insbesondere parallel nebeneinander gedruckt werden. Die genaue Form des Leiterstreifens 7 kann beispielsweise in jener Software definiert werden, die die Steueranweisun-

gen für den 3D-Drucker generiert. Beim Erstellen der ersten Elektrodenschicht 3 wird bevorzugt auch gleich ein Anschluss 12 mitgedruckt. Ist die erste Elektrodenschicht 3 erstellt, so kann auf diese erste Elektrodenschicht 3 eine erste Zwischenschicht 1 gedruckt werden. Hierzu wird jedoch in der Regel ein anderes Material verwendet als für die Elektrodenschicht 3. Das Material für die Zwischenschicht 1 benötigt für die Betätigbarkeit des Aktuators ein niedriges E-Modul und dielektrische Eigenschaften. Das niedrige E-Modul muss nicht über den gesamten Temperatureinsatzbereich vorhanden sein, sondern nur für jenen Einsatzbereich, in dem der Aktuator betätigt werden soll. Zur Herstellung der ersten Zwischenschicht 1 wird ein Zwischenschichtstreifen 13 aufgetragen, der ebenfalls mäanderförmig bzw. schlangenförmig erstellt werden kann. Insbesondere sollte eine durchgehende unterbrechungsfreie Schicht gebildet werden, um einen Spannungsdurchschlag zwischen den Elektroden zu verhindern. Bevorzugt werden mehrere Schichten eines Zwischenschichtstreifens 13 übereinander gedruckt, um eine durchgehende und ausreichend dicke Schicht zu erhalten.

[0098] Ist die erste Zwischenschicht 1 erstellt, so kann auf die erste Zwischenschicht 1 eine zweite Elektrodenschicht 4 gedruckt werden. Bevorzugt ist die zweite Elektrodenschicht 4 wie in Fig. 4 dargestellt ausgebildet. Insbesondere weist diese Elektrodenschicht zwei Anschlüsse 12 auf, die es ermöglichen, neben der Aktuatorspannung wahlweise eine Heizspannung anzulegen. Wird die Heizspannung angelegt, so erwärmt sich der Leiterstreifen 7 der zweiten Elektrodenschicht 4.

[0099] Ist die zweite Elektrodenschicht 4 erstellt, so kann auf diese Schicht die zweite Zwischenschicht 2 in analoger Weise zur ersten Zwischenschicht 1 aufgetragen werden. Auf die zweite Zwischenschicht 2 kann in weiterer Folge die dritte Elektrodenschicht 5 aufgetragen werden, wobei diese bevorzugt, wie in Fig. 3 dargestellt, ausgebildet ist.

[00100] Durch diesen fünfschichtigen Aufbau ist ein bevorzugter Aufbau des Aktuators gebildet. Die Anschlüsse der Elektrodenschichten 3, 4, 5 werden bevorzugt in einem Arbeitsgang mit dem Erstellen dieser jeweiligen Schichten mitgedruckt.

[00101] Der Materialwechsel des Filaments des 3D-Druckers kann entweder manuell erfolgen, oder es wird ein 3D-Drucker verwendet, der einen automatischen Materialwechsel erlaubt.

[00102] Ist der Aktuator ein Teil eines anderen Bauteils oder einer Vorrichtung, so kann vorher oder danach oder auch gleichzeitig durch den 3D-Drucker das Bauteil aufgebaut werden.

[00103] In weiterer Folge wird ein exemplarisches Verfahren zum Betrieb eines Aktuators aufgezeigt:

[00104] Der Aktuator, wie beispielsweise in den Fig. 1a und 1b dargestellt, befindet sich in seiner Null-Lage, wenn keine Spannung an die Elektrodenschichten 3, 4, 5 angelegt ist. Soll nun der Aktuator eine Aktuatorbewegung ausführen, so wird zwischen zwei Schichten, insbesondere zwischen zwei an derselben Zwischenschicht 1, 2 anliegenden Elektrodenschichten 3, 4, 5 eine Aktuatorspannung angelegt. Durch diese Aktuatorspannung werden die beiden Elektrodenschichten 3, 4, 5 aneinander gezogen und die dazwischen liegende Zwischenschicht 1, 2 wird zusammengedrückt.

[00105] Durch Querkontraktion verändert sich die Länge der Zwischenschicht 1, 2 entlang der Haupterstreckungsrichtung 10. Diese Längenänderung kann auch von den Elektrodenschichten 3, 4, 5 mit ausgeführt werden, da diese, wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, mäander- bzw. schlangenförmig ausgebildet sind.

[00106] Bei dieser Bewegung bleibt jedoch eine der Elektrodenschichten 3, 4, 5 ohne Aktuatorspannung, womit die andere Zwischenschicht nicht gequetscht wird und auch ihre Länge im Wesentlichen nicht verändert wird. Durch den Längenunterschied der beiden Zwischenschichten kommt es zu einer Krümmung des Aktuators, wobei dieser Effekt mit dem Effekt eines Bimetallstreifens vergleichbar ist. Wird die Aktuatorspannung reduziert oder abgeschaltet, so geht der Aktuator wieder in seine Nullstellung zurück. Um danach den Aktuator in die Gegenrichtung zu bewegen, können die Elektrodenschichten 3, 4, 5 der anderen Zwischenschicht mit einer Aktua-

torspannung versorgt werden, womit sich der Aktuator in analoger Weise in die andere Richtung krümmt.

[00107] Vorraussetzung für eine Betätigbarkeit des Aktuators ist, dass zumindest eine der Zwischenschichten 1, 2 ein niedriges E-Modul bzw. eine elastische Verformbarkeit unter dem Druck der Elektrodenschichten 3, 4, 5 erlaubt. Wird ein Material für die Zwischenschicht 1, 2 verwendet, die im Betriebsbereich des Aktuators wahlweise steif oder elastisch ist, so muss für eine Bewegung des Aktuators zuerst die Zwischenschicht 1, 2 in ihren weichen Zustand versetzt werden. Wird beispielsweise ein Material für die Zwischenschicht 1, 2 verwendet, das im Betriebstemperaturbereich seine Glasübergangstemperatur aufweist, so kann in einem ersten Schritt eine Heizvorrichtung 11 betätigt werden, die die Zwischenschichten 1, 2 auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur bringt. In weiterer Folge kann dann der Aktuator, wie zuvor beschrieben, betätigt werden. Wird die Zwischenschicht 1, 2 in weiterer Folge wieder abgekühlt, so kann die Stellung des Aktuators wieder fixiert werden. Diese Fixierung kann beispielsweise in der gekrümmten oder auch in der Null-Lage erfolgen.

[00108] Erfolgt die Fixierung durch Versteifung der Zwischenschicht 1, 2 in der gekrümmten Stellung, so kann der Aktuator selbsttätig in die Null-Lage zurückkehren, wenn die Zwischenschicht 1, 2 wieder erweicht wird. Gegebenenfalls kann diese Bewegung durch Anlegen einer Aktuatorspannung unterstützt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Dielektrischer Soft-Aktuator, umfassend zwei als Dielektrika wirkende Zwischenschichten (1,

2),

- wobei die Zwischenschichten (1, 2) zur Betätigung des Aktuators elastisch verformbar sind,

- wobei die Zwischenschichten (1, 2) jeweils beidseitig mit einer Elektrodenschicht (3, 4, 5) versehen sind,

- wobei die zwei Zwischenschichten (1, 2) derart, insbesondere schubfest, miteinander gekoppelt sind, dass eine unterschiedliche Längenänderung der Zwischenschichten (1, 2) eine Krümmung des Aktuators entlang einer Krümmungskontur (6) bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschichten (1, 2) und die Elektrodenschichten

(3, 4, 5) jeweils aus einem durch additive Fertigung aufgebrachten, insbesondere 3D-ge-

druckten, Material gefertigt sind.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschichten (1, 2) und die Elektrodenschichten (3, 4, 5) konsekutiv schichtweise aufeinander durch additive Fertigung gebildete, insbesondere 3D-gedruckte, Schichten sind.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass mindestens eine Elektrodenschicht (3, 4, 5), bevorzugt alle Elektrodenschichten (3, 4, 5), jeweils aus mindestens einem 3D-gedruckten, elektrisch leitenden Leiterstreifen (7) gebildet ist oder sind, - wobei der Leiterstreifen (7) insbesondere ein durch einen 3D-Druckkopf aufgetragener Streifen ist.

4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- dass der mindestens eine Leiterstreifen (7) Hauptleiter (8) und Verbindungsleiter (9) aufweist,

- wobei die Hauptleiter (8) quer zur Krümmungskontur (6) und nebeneinander, insbesondere beabstandet voneinander, verlaufen,

- und wobei die Verbindungsleiter (9) die Hauptleiter (8) elektrisch leitend miteinander verbinden,

- Insbesondere dass der Leiterstreifen (7) mäanderförmig verläuft.

5. Aktuator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, - dass der mindestens eine Leiterstreifen (7) eine kinematische Struktur bildet, - dass die kinematische Struktur entlang unterschiedlicher Richtungen unterschiedliche Biegesteifigkeiten aufweist, - Insbesondere dass die kinematische Struktur den Verlauf der Krümmungskontur (6) und die Krümmungseigenschaften des Aktuators bestimmt.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, - dass die Zwischenschichten (1, 2) jeweils aus mindestens einem 3D-gedruckten, dielektrisch wirkenden Zwischenschichtstreifen (13) gebildet sind, - und dass der oder die Zwischenschichtstreifen (13) eine elektrische Isolierschicht bilden.

7. Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die Zwischenschichten (1, 2) jeweils mehrere übereinander 3D-gedruckte Schichten aus Zwischenschichtstreifen (13) umfassen, - insbesondere dass die Zwischenschichten (1, 2) jeweils eine Dicke von mehr als 0,1 mm oder mehr als 0,15mm aufweisen, - und gegebenenfalls, dass die Zwischenschichten jeweils eine Dicke von weniger als 0,5 mm, insbesondere von weniger als 0,2 mm aufweisen.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: - eine erste Zwischenschicht (1), die auf einer Seite mit einer ersten Elektrodenschicht (3) und auf ihrer anderen Seite mit einer zweiten Elektrodenschicht (4) versehen ist, - eine zweite Zwischenschicht (2), die auf einer Seite mit der zweiten (4) Elektrodenschicht

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und auf ihrer anderen Seite mit einer dritten Elektrodenschicht (5) versehen ist, - wobei der Aktuator bevorzugt nur diese bzw. keine weiteren Zwischenschichten (1, 2) oder Elektrodenschichten (3, 4, 5) aufweist.

Aktuator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

- dass die erste Elektrodenschicht (3) eine 3D-gedruckte Schicht ist,

- dass die erste Zwischenschicht (1) eine auf die erste Elektrodenschicht (3) 3D- gedruckte Schicht ist,

- dass die zweite Elektrodenschicht (4) eine auf die erste Zwischenschicht (1) 3D- gedruckte Schicht ist,

- dass die zweite Zwischenschicht (2) eine auf die zweite Elektrodenschicht (4) 3D-gedruckte Schicht ist,

- und dass die dritte Elektrodenschicht (5) eine auf die zweite Zwischenschicht (2) 3D-gedruckte Schicht ist.

Aktuator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenschicht (4) als Elektrodenschicht für die erste Zwischenschicht (1) und für die zweite Zwischenschicht (2) wirkt.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Elektrodenschichten (3, 4, 5) und die Zwischenschichten (1, 2) zusammen einen flächigen Körper ergeben,

- wobei der flächige Körper plättchenförmig, streifenförmig, plan oder gewellt ausgebildet sein kann,

- und dass die Wirkrichtung des Aktuators im Wesentlichen quer zur Haupterstreckungsrichtung (10) der Elektrodenschichten (3, 4, 5), der Zwischenschichten (1, 2) und des flächigen Körpers verläuft.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschichten (3, 4, 5) aus einem für Filament-3D-Druck geeigneten, elektrisch leitendem Material, insbesondere aus elektrisch leitfähigem Thermoplast, beispielsweise aus leitfähigem TPU, aus leitfähigem PLA oder aus einem mit Metallpartikeln versehenen Filament gebildet sind.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens

eine Zwischenschicht oder alle Zwischenschichten (1, 2) aus einem für Filament-3D-Druck

geeigneten, dielektrisch wirkenden Material, insbesondere:

- aus TPU

- aus einem Formgedächtnispolymer,

- oder aus einem Polymer, das zwischen zwei unterschiedlichen Betriebstemperaturen seine Glasübergangstemperatur hat, gebildet ist oder sind.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, - dass die Elektrodenschichten (3, 4, 5) dazu eingerichtet sind, einander durch Anlegen einer elektrischen Aktuatorspannung anzuziehen.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung (11) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, das Material der Zwischenschicht(en) (1, 2) über dessen Glasübergangstemperatur zu erwärmen.

Aktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrodenschicht (3, 4, 5), insbesondere die zweite Elektrodenschicht (4), dazu eingerichtet ist, das Material der Zwischenschicht(en) (1, 2) durch Anlegen einer Heizspannung über dessen Glasübergangstemperatur zu erwärmen, wodurch die Elektrodenschichten (3, 4, 5) ein Teil der Heizvorrichtung (11) sind.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Elektrodenschicht (3, 4, 5) ein elektrischer Anschluss (12) vorgesehen ist, wobei der elektrische Anschluss (12) bevorzugt aus einem durch additive Fertigung aufgebrachten, insbesondere

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3D-gedruckten, Material gefertigt bzw. mit der jeweiligen Elektrodenschicht (3, 4, 5) in einem Arbeitsgang mitgedruckt ist.

Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,

- dass eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist,

- dass die Steuerungsvorrichtung derart elektrisch mit den Elektrodenschichten (3, 4, 5) verbunden ist, dass wahlweise zwischen zwei Elektrodenschichten (3, 4, 5) eine Aktuatorspannung angelegt werden kann, um wahlweise eine Längenänderung einer Zwischenschicht (1, 2) zu bewirken,

- Insbesondere dass die Steuerungsvorrichtung derart elektrisch mit den Elektrodenschichten (3, 4, 5) verbunden ist, dass mindestens eine der Elektrodenschichten (3, 4, 5) die Zwischenschichten (1, 2) über deren Glasübergangstemperatur erwärmt.

Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Soft-Aktuators, der insbesondere nach einem

der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildet ist,

- wobei zwei als Dielektrika wirkende Zwischenschichten (1, 2) gebildet werden, die jeweils beidseitig mit einer Elektrodenschicht (3, 4, 5) versehen werden,

- wobei die zwei Zwischenschichten (1, 2) derart, insbesondere schubfest, miteinander gekoppelt werden, dass eine unterschiedliche Längenänderung der Zwischenschichten (1, 2) eine Krümmung des Aktuators entlang einer Krümmungskontur (6) bewirkt, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Zwischenschichten (1, 2) und die Elektrodenschichten (3, 4, 5) durch additive Fertigung, insbesondere durch 3D-Druck gebildet werden.

Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Zwischenschichten (1, 2) und die Elektrodenschichten (3, 4, 5) konsekutiv schichtweise aufeinander durch additive Fertigung, insbesondere durch 3D-Druck, gebildet werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet,

- dass mindestens eine Elektrodenschicht (3, 4, 5), bevorzugt alle Elektrodenschichten (3, 4,5), jeweils aus mindestens einem 3D-gedruckten, elektrisch leitenden Leiterstreifen (7) gebildet werden,

- wobei der Leiterstreifen (7) insbesondere durch einen 3D-Druckkopf aufgetragen wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet,

- dass durch Bildung des mindestens einen Leiterstreifens (7) eine kinematische Struktur gebildet wird, die entlang unterschiedlicher Richtungen unterschiedliche Biegesteifigkeiten aufweist,

- und dass durch die Wahl der kinematischen Struktur der Verlauf der Krümmungskontur (6) und die Krümmungseigenschaften des Aktuators bestimmt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Zwischenschichten (1, 2) jeweils aus mindestens einem 3D-gedruckten, dielektrisch wirkenden Zwischenschichtstreifen (13) gebildet werden,

- dass der oder die Zwischenschichtstreifen (13) eine elektrische Isolierschicht bilden,

- und insbesondere dass die Zwischenschichten (1, 2) jeweils durch mehrere übereinander 3D-gedruckte Schichten aus Zwischenschichtstreifen (13) gebildet werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet,

- dass eine erste Elektrodenschicht (3) 3D-gedruckt wird,

- dass eine erste Zwischenschicht (1) auf die erste Elektrodenschicht (3) 3D-gedruckt wird,

- dass eine zweite Elektrodenschicht (4) auf die erste Zwischenschicht (1) 3D-gedruckt wird,

- dass eine zweite Zwischenschicht (2) auf die zweite Elektrodenschicht (4) 3D-gedruckt wird,

- und dass eine dritte Elektrodenschicht (5) auf die zweite Zwischenschicht (2) 3D-gedruckt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet,

- dass für jede Elektrodenschicht (3, 4, 5) ein elektrischer Anschluss (12) vorgesehen wird, wobei der elektrische Anschluss (12) bevorzugt aus einem durch additive Fertigung aufgebrachten, insbesondere 3D-gedruckten, Material gefertigt bzw. mit der jeweiligen Elektrodenschicht (3, 4, 5) in einem Arbeitsgang mitgedruckt wird.

26. Verfahren zum Betrieb eines Aktuators, der insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer ersten durch additive Fertigung gebildeten Elektrodenschicht (3) und einer zweiten durch additive Fertigung gebildeten Elektrodenschicht (4) eine elektrische Aktuatorspannung angelegt wird, wobei sich durch Anlegen der Aktuatorspannung:

- die erste Elektrodenschicht (3) und die zweite Elektrodenschicht (4) anziehen,

- dadurch eine zwischen den zwei Elektrodenschichten (3, 4) angeordnete durch additive Fertigung gebildete erste Zwischenschicht (1) zusammendrücken,

- dadurch die Länge der ersten Zwischenschicht (1) gegenüber einer weiteren durch additive Fertigung gebildeten zweiten Zwischenschicht (2) vergrößern,

- und sich der Aktuator entlang einer Krümmungskontur (6) krümmt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend die elektrische Aktuatorspannung zwischen der ersten Elektrodenschicht (3) und der zweiten Elektrodenschicht (4) reduziert wird,

- dass zwischen der zweiten Elektrodenschicht (4) und einer dritten durch additive Fertigung gebildeten Elektrodenschicht (5) eine elektrische Aktuatorspannung angelegt wird, wobei sich durch Anlegen der Aktuatorspannung:

- die zweite Elektrodenschicht (4) und die dritte Elektrodenschicht (5) anziehen,

- dadurch die zwischen den zwei Elektrodenschichten (4, 5) angeordnete zweite Zwischenschicht (2) zusammendrücken,

- dadurch die Länge der zweiten Zwischenschicht (2) gegenüber der ersten Zwischenschicht (1) vergrößern,

- und sich der Aktuator in die entgegengesetzte Richtung krümmt.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zwischenschicht (1, 2) durch Betätigung einer Heizvorrichtung (11), insbesondere durch Anlegen einer Heizspannung an mindestens eine Elektrodenschicht (3, 4, 5), über deren Glasübergangstemperatur erwärmt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Aktuator in einem durch Anziehung zweier Elektrodenschichten (3, 4, 5) gekrümmten Zustand dadurch verfestigt wird, dass eine Abkühlung der mindestens einen Zwischenschicht (1, 2) auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Materials der Zwischenschicht (1, 2) erfolgt,

- insbesondere dass die Abkühlung durch Reduktion oder Abschaltung der Heizspannung erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen