DE102014116120A1

DE102014116120A1 - Membranaktor sowie Verfahren zur Herstellung eines Membranaktors

Info

Publication number: DE102014116120A1
Application number: DE102014116120.3A
Authority: DE
Inventors: Cricia de Carvalho Rodegheri; Jan Westermann; Klaus-Günther Beck; Peter Krippner; Christoph Dittrich
Original assignee: Cut Membrane Tech GmbH; Cut Membrane Technology GmbH; Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Cut Membrane Tech GmbH; Cut Membrane Technology GmbH; Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-12
Also published as: US20160126450A1; CN105591564B; CN105591564A; US10158064B2

Abstract

Es ist ein Membranaktor (10) beschrieben, der ein erstes Rahmenteil (12) und ein zweites Rahmenteil (14) aufweist, zwischen denen wenigstens zwei Membranschichten (16) gestapelt angeordnet sind, die als elektroaktive Polymerschichten ausgebildet sind. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines Membranaktors (10) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Membranaktor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Membranaktors.
Der Begriff „Aktor“, wie er hier verwendet wird, bezeichnet ein Bauteil oder eine Baugruppe, mit der elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, wodurch eine Bewegung eines Teils des Aktors erzeugt wird, welche auf ein zu betätigendes Element übertragen werden kann. Ein solcher Aktor kann u.a. vorteilhaft in der Fluidventiltechnik eingesetzt werden, beispielsweise um ein Ventil zu betätigen.
Ein Membranaktor zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Membranschicht aufweist, die zur Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie verwendet wird. Typischerweise kann die Membranschicht hierzu aus einem elektroaktiven Polymer ausgebildet sein, welches sich bei einer Spannungsbeaufschlagung beispielsweise ausdehnt oder zusammenzieht. Hierdurch wird die durch die Spannungsbeaufschlagung angelegte elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, was zu einer Bewegung eines Abtriebsteils des Aktors führt.
Geeignete elektroaktive Polymere sind z.B. Silikon, Polyurethan und Acrylat.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, mehrere solcher Membranaktoren aufeinander zu stapeln, um einen gestapelten Membranaktor auszubilden, dessen zur Verfügung stehende Kraft dadurch vergrößert ist. Beispielsweise ist ein solch gestapelter Membranaktor aus der WO 2008/083325 A bekannt, bei dem jeweils eine Membranschicht zwischen zwei Rahmenteilen eingeklemmt ist. Von diesen Membranaktoren sind mehrere übereinander gestapelt, um den gestapelten Membranaktor auszubilden.
Bei derartigen gestapelten Membranaktoren hat sich als nachteilig herausgestellt, dass sie viel Platz benötigen, da die einzelnen Membranaktoren jeweils über ihre Rahmenteile aufeinander aufliegen. Die Rahmen haben jedoch eine größere Höhe als die aktiven Bereiche der Membranschichten, die die Bewegung erzeugen, also die Bereiche der Membranschichten, die zwischen Elektrodenschichten angeordnet sind. Dadurch wird viel Bauraum verschenkt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Membranaktor auszubilden, der eine hohe Kraft ausüben kann und dennoch einen geringen Bauraum benötigt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Membranaktor gelöst, der ein erstes Rahmenteil und ein zweites Rahmenteil aufweist, zwischen denen wenigstens zwei Membranschichten gestapelt angeordnet sind, die als elektroaktive Polymerschichten ausgebildet sind.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, den Platzbedarf des Membranaktors dadurch zu verringern, dass nicht jede einzelne Membranschicht in einem eigenen Rahmen eingespannt ist. Vielmehr sind mehrere Membranschichten aus einem elektroaktiven Polymer (EAP-Membrane) zwischen einem einzigen Rahmen eingespannt. Daher kann ein derartiger Membranaktor auch als Multischicht-Membranaktor bezeichnet werden, da mehrere Membranschichten in einem Aktor angeordnet sind, insbesondere in einem Rahmen des Aktors. Die mehreren Membranschichten können dennoch eine große Kraft zur Verfügung stellen, wodurch ein derartig ausgebildeter Membranaktor vergleichbare Kräfte wie die aus dem Stand der Technik bekannten gestapelten Membranaktoren erzeugen kann, dabei jedoch eine geringere Bauhöhe hat.
Insbesondere kann es sich bei dem Membranaktor um einen dielektrischen Elastomeraktor handeln.
Ein dielektrischer Elastomeraktor beruht allgemein darauf, dass auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten einer dielektrischen Polymerfolie jeweils eine großflächige Elektrode angeordnet wird. Wenn an die Elektroden eine ausreichend starke elektrische Spannung angelegt wird, ziehen die Elektroden einander an, sodass die dazwischenliegende Polymerfolie zusammengedrückt wird. Da die verwendete dielektrische Polymerfolie nahezu inkompressibel ist, führt die Verringerung des Abstandes zwischen den Elektroden zu einer Formänderung. Bei einer Membran kann beispielsweise der Mittelabschnitt einer kreisförmigen Membran gegenüber dem Außenrand in axialer Richtung ausgelenkt werden, wenn an die Elektroden auf den beiden Seiten der Membran eine elektrische Spannung angelegt wird; die Verringerung der Dicke der dielektrischen Polymerfolie wird vereinfacht gesagt umgesetzt in eine größere axiale Länge der Membran.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens zwei aktiven Membranschichten direkt aneinander anliegen. Hierdurch reduziert sich der Platzbedarf des Membranaktors erheblich, da die einzelnen Membranschichten sehr dünn sind und kein weiteres Bauteil dazwischen angeordnet ist.
Ferner ist vorgesehen, dass das erste Rahmenteil an einer ersten Oberfläche der wenigstens zwei Membranschichten und/oder das zweite Rahmenteil an einer zweiten Oberfläche der wenigstens zwei Membranschichten anliegen können bzw. kann, die zur ersten Oberfläche entgegengesetzt ist. Das erste Rahmenteil kann einen unteren Abschluss des Membranaktors darstellen, wohingegen das zweite Rahmenteil einen oberen Abschluss des Membranaktors ausbildet. Die zwischen den Rahmenteilen liegenden Membranschichten können dadurch sicher und fixierend gehalten sein.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranaktors ist ein erstes Verbindungsteil vorgesehen, das an der ersten Oberfläche der wenigstens zwei Membranschichten anliegt und/oder dass ein zweites Verbindungsteil vorgesehen ist, das an der zweiten Oberfläche der wenigstens zwei Membranschichten anliegt, wobei insbesondere das erste Verbindungsteil und/oder das zweite Verbindungsteil mittig an der jeweiligen Oberfläche anliegen bzw. anliegt. Über das erste oder das zweite Verbindungsteil kann der Membranaktor mit einem zu betätigenden Element zusammenwirken. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Membranaktor über das erste und/oder das zweite Verbindungsteil mit dem jeweiligen zu bewegenden Teil verbunden ist. Alternativ können die Verbindungsteile auch als Anschlagelemente dienen, die bei einer Bewegung des Aktors an einem zu betätigenden Element angreifen. Ferner kann auch beiden Verbindungsteilen jeweils ein zu betätigendes Element zugeordnet werden. Durch die mittige Anordnung des ersten und/oder des zweiten Verbindungsteils ist sichergestellt, dass die Verbindungsteile bei Aktivierung des Membranaktors eine homogene Verstellbewegung erfahren.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Membranschichten jeweils eine Öffnung aufweisen, die mittig in der jeweiligen Membranschicht vorgesehen ist und insbesondere kreisförmig ausgebildet ist. Bei einem derartigen Membranaktor kann beispielsweise vorgesehen sein, dass sich die Membranschichten bei einer Spannungsbeaufschlagung derart mechanisch ausdehnen oder zusammenziehen, dass sich die Öffnung innerhalb der Membranschichten verändert. Hierbei kann sich die Öffnung beispielsweise beim Anlegen einer elektrischen Spannung zusammenziehen, wodurch sich die Größe der Öffnung verringert. Die Öffnung kann kreisförmig oder im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Membranschichten kreisförmig oder im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind. Über die jeweilige Gestalt der Membranschichten können unterschiedliche mechanische Bewegungen des Membranaktors erreicht werden, wenn dieser elektrisch betätigt wird.
Insbesondere können bzw. kann das erste Rahmenteil und/oder das zweite Rahmenteil kreisförmig oder im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sein. Die Rahmenteile sind entsprechend der jeweiligen Membranschichten ausgebildet, um sicherzustellen, dass die Rahmenteile die Membranschichten jeweils an ihren äußeren Rändern fixierend halten können bzw. über die jeweiligen Ränder mit den Membranschichten befestigt sind. Der von den Rahmenteilen nicht fixierte Bereich der Membranschichten dient als aktiver Bereich, der die Bewegung umsetzt, wenn der Membranaktor angeregt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das erste Rahmenteil und/oder das zweite Rahmenteil zumindest teilweise flexibel sind bzw. ist. Über die teilweise flexible Ausbildung der Rahmenteile kann ein Membranaktor geschaffen werden, der verschiedene Formen annehmen bzw. Bewegungen ausüben kann, da sich der Rahmen selbst aufgrund der zumindest teilweise flexibel ausgebildeten Rahmenteile verformen kann. Der Membranaktor kann dabei eine DEMES-Struktur aufweisen oder aus ihr ausgebildet sein. Bei einer DEMES-Struktur (Dielectric Elastomer Minimum Energy Structure) handelt es sich um eine Struktur, die einen energetisch günstigen Zustand annimmt (Gleichgewichtszustand). Durch Aktivierung der Membranschichten kann somit eine Energie in den aus einer DEMES-Struktur zumindest teilweise ausgebildeten Membranaktor eingeleitet werden, sodass er sich aus seinem energetisch günstigen Gleichgewichtszustand verformt. Insbesondere kann der Membranaktor auch vollständig flexibel ausgebildet sein, also vollständig aus einer DEMES-Struktur bestehen.
Ferner weisen die wenigstens zwei Membranschichten jeweils wenigstens eine Elektrode auf. Über die Elektrode ist sichergestellt, dass die Membranschichten mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden können. Die elektroaktiven Membranschichten können sich somit ausdehnen oder zusammenziehen, wenn sie mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden.
Insbesondere sind die Elektroden direkt benachbarter Membranschichten versetzt zueinander angeordnet. Hierdurch kann bei einem Membranaktor mit stapelförmig angeordneten Membranschichten sichergestellt werden, dass sich ein elektrisches Feld zwischen den direkt benachbarten Membranschichten ausbildet. Die versetzt zueinander angeordneten Membranschichten werden hierzu unterschiedlichen Polen einer Spannungsquelle zugeordnet. Demnach kann eine einzige Spannungsquelle ausreichen, um sämtliche Membranschichten elektrisch zu beaufschlagen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das erste Rahmenteil einen ersten Anschluss und/oder das zweite Rahmenteil einen zweiten Anschluss aufweisen bzw. aufweist. Über die Anschlüsse werden die Membranschichten, insbesondere deren Elektroden, mit einer Spannung beaufschlagt. Die Rahmenteile, die zur Fixierung der einzelnen Membranschichten dienen, stellen somit gleichzeitig die indirekte elektrische Versorgung der einzelnen Membranschichten sowie die randseitige Fixierung der Membranschichten sicher.
Insbesondere sind die Elektroden der wenigstens zwei Membranschichten elektrisch kontaktiert, wobei die Elektroden jeder zweiten Membranschicht mit dem ersten Anschluss gekoppelt sind und die anderen Membranschichten mit dem zweiten Anschluss. Hierdurch ergibt sich eine asymmetrische Kontaktierung der gestapelten Membranschichten, da sich zwischen zwei benachbarten Membranschichten stets ein elektrisches Feld ausbildet, was benötigt wird, um eine Spannung in den jeweiligen Membranschichten auszubilden.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines Membranaktors gelöst, mit den folgenden Schritten:

a) Bereitstellen eines ersten Werkzeugteils, eines ersten Rahmenteils sowie eines Polymerfilms aus einem elektroaktiven Material,
b) Anordnen des ersten Rahmenteils auf dem ersten Werkzeugteil,
c) Klemmen des Polymerfilms,
d) mechanisches Dehnen des Polymerfilms,
e) Fixieren des Polymerfilms, insbesondere am ersten Werkzeugteil, und
f) Schneiden des Polymerfilms, sodass eine Membranschicht entsteht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist sichergestellt, dass die benötigte Vorspannung der Membranschicht erreicht werden kann. Aufgrund der Vorspannung kann die zur Verfügung stehende Kraft des Membranaktors erhöht werden. Durch Dehnen oder Strecken der Membranschicht wird eine Vorzugsrichtung des Aktors definiert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Schritt g) durchgeführt, bei dem wenigstens eine Elektrode auf die Membranschicht aufgebracht wird, wobei insbesondere der Schritt g) nach den Schritten c) bis e) durchgeführt wird. Das Aufbringen der Elektrode ist wichtig, damit die Membranschicht mit einer Spannung beaufschlagt werden kann. Die Elektrode soll insbesondere nach dem mechanischen Dehnen in Schritt d) aufgebracht werden, um eine Beschädigung der Elektrode zu verhindern. Die wenigstens eine Elektrode kann mittels eines nasschemischen Verfahrens wie Sprühen, Stempeln, Drucken oder Siebdrucken aufgebracht werden. Generell lassen sich verschiedenste Elektrodenmuster hiermit realisieren.
Ferner werden die Schritte c) bis e) wiederholend ausgeführt, um mehrere Membranschichten auszubilden. In Abhängigkeit der Wiederholungen wird ein Multischicht-Membranaktor geschaffen, der Membranschichten entsprechend der Anzahl der Wiederholungen aufweist. Die zur Verfügung stehende Kraft des Membranaktors wird dadurch vergrößert.
Insbesondere werden die Elektroden direkt benachbarter Membranschichten zumindest bereichsweise versetzt zueinander angeordnet. Hierdurch ist sichergestellt, dass jeweils direkt benachbarte Membranschichten mit einer unterschiedlichen Spannung bzw. einem unterschiedlichen Anschluss versorgt bzw. gekoppelt werden können, sodass sich zwischen direkt benachbarten Membranschichten ein elektrisches Feld ausbilden kann, wenn eine Spannung an den Membranaktor angelegt wird.
Ferner wird ein zweites Rahmenteil bereitgestellt, das auf der zum ersten Rahmenteil entgegengesetzten Seite der wenigstens einen Membranschicht angeordnet wird. Das zweite Rahmenteil bildet somit den zum ersten Rahmenteil entgegengesetzten Abschluss des Membranaktors, wodurch sichergestellt ist, dass die wenigstens eine Membranschicht zwischen den beiden Rahmenteilen angeordnet ist. Die wenigstens eine Membranschicht ist somit sicher eingespannt.
Ferner ist vorgesehen, dass der Polymerfilm in Schritt d) unidirektional oder radial gedehnt wird, insbesondere gleichmäßig gedehnt wird. Über die Dehnung kann ein Multischicht-Membranaktor mit vorgedehnten Membranschichten bereitgestellt werden, der eine große Kraft bei einem kompakten Aufbau hat. Die radiale Dehnung ist insbesondere bei Membranschichten von Bedeutung, die kreisförmig ausgebildet sind. Durch die gleichmäßig radiale Dehnung ist sichergestellt, dass eine kreisförmige Membranschicht, die in einem kreisförmig ausgebildeten Rahmen eingespannt ist, beispielsweise bei Beaufschlagung der Elektroden in ihrem aktiven Bereich zwischen den Elektroden derart komprimiert wird, dass sich die Wandstärke dort verringert. Da das Material der Membranschichten inkompressibel ist, „verlängert“ es sich, so dass das Zentrum der Membran gegenüber einem Ausgangszustand ausgelenkt werden kann. Wird die Spannung wieder von den Elektroden entfernt, stellt sich der Aktor in den Ausgangszustand zurück; die Wandstärke der Membranschichten nimmt wieder zu, wodurch das Zentrum wieder in seine ursprüngliche Position zurückgezogen wird. Generell kann durch die Vordehnung eine definierte Bewegung des Membranaktors mit einer größeren Kraft erzielt werden.
Insbesondere wird das erste Werkzeugteil in Schritt d) bewegt, um den Polymerfilm mechanisch zu dehnen. Das erste Werkzeugteil dient somit nicht nur zur Fixierung des Polymerfilms, um die Membranschicht auszubilden, sondern auch zur Dehnung des Polymerfilms. Hierdurch ergibt sich ein einfaches Verfahren zur Herstellung des Membranaktors, insbesondere eines Membranaktors mit vorgedehnten Membranschichten.
Ferner kann ein zweites Werkzeugteil vorgesehen sein, das ebenfalls bewegt wird, um den Polymerfilm zu dehnen. Dieses zweite Werkzeugteil kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn eine radiale Dehnung des Polymerfilms bzw. der Membranschicht erfolgen soll.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das zweite Werkzeugteil eine Struktur auf, die dem ersten Rahmenteil im Wesentlichen entspricht und/oder ist das zweite Werkzeugteil dem ersten Rahmenteil gegenüberliegend positioniert. Aufgrund der Positionierung und/oder der Ausbildung des zweiten Werkzeugteils kann die radiale Dehnung des Polymerfilms erfolgen. Hierzu ist das zweite Werkzeugteil insbesondere derart bewegbar, dass es in Richtung zum ersten Werkzeugteil verfahren werden kann, auf dem das erste Rahmenteil angeordnet ist. Über die entsprechend ausgebildete Struktur ist sichergestellt, dass die radiale Dehnung des Polymerfilms erfolgt, um die radial vorgedehnte Membranschicht auszubilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die erste Membranschicht auf dem ersten Rahmenteil befestigt, insbesondere geklebt oder geschweißt. Dies stellt sicher, dass eine feste Verbindung zwischen dem Rahmenteil und dem Rand der ersten Membranschicht vorliegt, sodass eine Relativbewegung zwischen dem ersten Rahmenteil und der ersten Membranschicht nicht erfolgen kann.
Ferner können auch die weiteren Membranschichten mit dem ersten Rahmenteil oder der vorherigen Membranschicht verbunden werden. Die Verbindung erfolgt dabei randseitig.
Insbesondere ist das erste Werkzeugteil ein Arbeitstisch oder eine Arbeitstrommel, die mehrere Arbeitsflächen aufweist. Hierdurch kann ein sehr ökonomisches Herstellungsverfahren bereitgestellt werden, das auf kleinstem Raum durchgeführt werden kann.
Insbesondere wird das als Arbeitstrommel ausgebildete erste Werkzeugteil um eine Rotationsachse gedreht, sodass ein einer Arbeitsfläche zugeordneter Polymerfilmabschnitt des Polymerfilms unterschiedlichen Arbeitsstationen zugeführt wird. Hierdurch kann ein Multischicht-Membranaktor in sehr effizienter Weise hergestellt werden, da die jeweilige, gerade zu bearbeitende Membranschicht nacheinander mehrere Stationen durchläuft. Aufgrund der Drehung der Arbeitstrommel um seine Rotationsachse ist der Platzbedarf zudem gering. Gleichzeitig können weitere Multischicht-Membranaktoren auf den anderen Arbeitsflächen anderen Prozessschritten unterzogen werden.
Generell können die Arbeitsflächen derart ausgebildet sein, dass gleichzeitig mehrere Membranaktoren ausgebildet werden. Demnach wird auf einer Arbeitsfläche eine Charge von Membranaktoren hergestellt. Hierzu kann auf der entsprechenden Arbeitsfläche eine Matrix angeordnet sein.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1a eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Membranaktor gemäß einer ersten Ausführungsform,
1b eine Draufsicht auf den Membranaktor nach 1a,
1c einen Querschnitt durch den Membranaktor nach 1a bei einer ersten Elektrode,
1d einen Querschnitt durch den Membranaktor nach 1a bei einer zweiten Elektrode,
die 2a bis 2c eine Darstellung des erfindungsgemäßen Membranaktors aus 1a in einer Draufsicht, einer Schnittdarstellung im Ausgangzustand und einer Schnittdarstellung im aktivierten Zustand,
die 3a bis 3c eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Draufsicht, einer Schnittdarstellung im Ausgangzustand und einer Schnittdarstellung im aktivierten Zustand,
3d eine Draufsicht auf den Membranaktor nach der zweiten Ausführungsform,
3e einen Querschnitt durch den Membranaktor nach der zweiten Ausführungsform bei einer ersten Elektrode,
3f einen Querschnitt durch den Membranaktor nach der zweiten Ausführungsform bei einer zweiten Elektrode,
die 4a bis 4c eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer dritten Ausführungsform in einer Draufsicht, einer Schnittdarstellung im Ausgangzustand und einer Schnittdarstellung im aktivierten Zustand,
die 5a bis 5c eine Übersichtsdarstellung eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer vierten Ausführungsform,
6a eine Draufsicht auf ein Elektrodenmuster eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer fünften Ausführungsform,
6b eine Draufsicht auf ein Elektrodenmuster eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer sechsten Ausführungsform,
6c eine Draufsicht auf ein Elektrodenmuster eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer siebten Ausführungsform,
6d eine Draufsicht auf ein Elektrodenmuster eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer achten Ausführungsform,
7 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Matrix-Membranaktor,
die 8a bis 8c eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer neunten Ausführungsform in einer Draufsicht im aktivierten Zustand, einer Schnittdarstellung im Ausgangzustand und einer Schnittdarstellung im aktivierten Zustand,
die 9a bis 9c eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer zehnten Ausführungsform in einer Draufsicht im aktivierten Zustand, einer Schnittdarstellung im Ausgangszustand und einer Schnittdarstellung im aktivierten Zustand,
10a eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Membranaktor gemäß einer elften Ausführungsform,
10b eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Membranaktor gemäß einer zwölften Ausführungsform,
10c eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Membranaktor gemäß einer dreizehnten Ausführungsform,
10d eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Membranaktor gemäß einer vierzehnten Ausführungsform,
10e eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Membranaktor gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform,
die 11a bis 11c eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Membranaktors gemäß einer sechzehnten Ausführungsform in einer Draufsicht, einer Schnittdarstellung im Ausgangzustand und einer Schnittdarstellung im aktivierten Zustand,
12a eine schematische Darstellung eines ersten Prozessschritts des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Variante,
12b eine schematische Darstellung eines zweiten Prozessschritts des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Variante,
12c eine schematische Darstellung eines dritten Prozessschritts des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Variante,
12d eine schematische Darstellung eines vierten Prozessschritts des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Variante,
12e eine Draufsicht auf 12d,
13a eine schematische Darstellung während des Herstellungsprozesses zu einem ersten Zeitpunkt gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
13b die Darstellung gemäß 13a zu einem zweiten Zeitpunkt,
14a eine schematische Darstellung während des Herstellungsprozesses zu einem ersten Zeitpunkt gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
14b die Darstellung gemäß 14a zu einem zweiten Zeitpunkt,
15a eine schematische Darstellung eines ersten Prozessschritts beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Variante,
15b eine schematische Darstellung eines zweiten Prozessschritts beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Variante,
15c eine schematische Darstellung eines dritten Prozessschritts beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Variante,
16 eine Detaildarstellung der 15c,
17 eine Verlaufsübersicht beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Variante,
18 eine schematische Übersicht des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Variante,
19 eine perspektivische Darstellung des ersten als Werkzeugtrommel ausgebildeten Werkzeugteils, das bei dem in 18 gezeigten Verfahren verwendet wird,
20a ein erster Prozessschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Variante,
20b ein zweiter Prozessschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Variante,
20c ein dritter Prozessschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Variante,
20d ein vierter Prozessschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Variante,
20e ein fünfter Prozessschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Variante,
20f ein sechster Prozessschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Variante,
20g ein siebter Prozessschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Variante,
20h ein achter Prozessschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Variante,
21a eine erste alternative Ausführungsform des ersten Werkzeugteils,
21b eine zweite alternative Ausführungsform des ersten Werkzeugteils,
21c eine dritte alternative Ausführungsform des ersten Werkzeugteils,
22a ein weiterer mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellter Membranaktor in einer Übersichtsdarstellung,
22b ein weiterer mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellter Membranaktor in einer Übersichtsdarstellung,
22c ein weiterer mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellter Membranaktor in einer Übersichtsdarstellung,
22d ein weiterer mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellter Membranaktor in einer Übersichtsdarstellung,
22e ein weiterer mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellter Membranaktor in einer Übersichtsdarstellung,
22f ein weiterer mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellter Membranaktor in einer Übersichtsdarstellung,
22g ein weiterer mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellter Membranaktor in einer Übersichtsdarstellung.
In 1a ist ein Membranaktor 10 gezeigt, der ein erstes Rahmenteil 12 sowie ein zweites Rahmenteil 14 aufweist.
Zwischen den beiden Rahmenteilen 12, 14 sind in der gezeigten Ausführungsform fünf Membranschichten 16 angeordnet. Demnach handelt es sich bei dem Membranaktor 10 um einen Multischicht-Membranaktor, der mehrere Membranschichten 16 in einem Rahmen 15 hat, welcher durch die Rahmenteile 12, 14 ausgebildet ist.
Generell sind die Membranschichten 16 aus einem dielektrischen Elastomer bzw. einem elektroaktiven Polymer hergestellt, sodass sie eine elektrische Anregung in eine mechanische Bewegung umsetzen können.
Die einzelnen Membranschichten 16 können insbesondere vorgedehnt sein, wie nachfolgend noch anhand der 12 bis 20 erläutert wird.
Die Membranschichten 16 liegen direkt aneinander an und bilden einen Stapel 17 aus, der eine erste Oberfläche 17a und eine zweite Oberfläche 17b hat. Die zweite Oberfläche 17b ist zur ersten Oberfläche 17a entgegengesetzt angeordnet, wobei das erste Rahmenteil 12 an der ersten Oberfläche 17a anliegt und das zweite Rahmenteil 14 an der zweiten Oberfläche 17b.
Die Rahmenteile 12, 14 liegen jeweils in einem ersten Randbereich 18 und einem zweiten Randbereich 19 der Membranschichten 16 an der ersten Membranschicht 16a sowie der letzten Membranschicht 16e direkt an.
Jeder der Membranschichten 16 sind vorzugsweise jeweils zwei Elektroden 20, 22 zugeordnet, wobei eine erste Elektrode 20 und eine zweite Elektrode 22 vorgesehen sind, die sich in ihrer entsprechend zugeordneten Polarität unterscheiden, wie nachfolgend erläutert wird. Generell sind die Elektroden 20, 22 derart den Membranschichten 16 zugeordnet, dass zwei direkt benachbarte Membranschichten 16 einen unterschiedlichen Elektrodenauftrag bzw. ein unterschiedliches Elektrodenmuster aufweisen.
Die Elektroden 20, 22 können beispielsweise metallisch ausgebildet sein. Alternativ können die Elektroden 20, 22 auf Basis von Kohlenstoff, Nanopartikeln oder einem ICP (Intrinsically Conducting Polymer) ausgebildet sein.
Zur Kontaktierung der Elektroden 20, 22 weisen die Rahmenteile 12, 14 einen ersten Anschluss 24, der dem ersten Randbereich 18 zugeordnet ist, und einen zweiten Anschluss 25 auf, der dem zweiten Randbereich 19 zugeordnet ist. Die beiden Anschlüsse 24, 25 unterscheiden sich in ihrer Polarität.
Jede Membranschicht 16 weist demnach zumindest eine Elektrode 20, 22 auf, die entweder dem ersten Anschluss 24 oder dem zweiten Anschluss 25 zugeordnet ist.
Die Durchkontaktierung der Elektroden 20, 22 der Membranschichten 16 und die Kontaktierung mit den Anschlüssen 24, 25 kann über Kontaktierungselemente 26, 27 erfolgen, die beispielsweise als Niet, Druckstift und/oder aus einem elastisch leitfähigen Elastomer ausgebildet sind. Die zur Aufnahme der Kontaktierungselemente 26, 27 vorgesehenen Öffnungen können beispielsweise durch Stanzen ausgebildet werden.
Die Anschlüsse 24, 25 können in den jeweiligen Rahmenteilen 12, 14 integriert und ferner als Stecker bzw. Buchse ausgebildet sein, um einen einfache elektrische Kontaktierung des Membranaktors 10 zu ermöglichen.
Über die Anschlüsse 24, 25 kann der Membranaktor 10 mit einer Spannung versorgt werden, sodass die elektroaktiven Membranschichten 16 sich ausdehnen oder zusammenziehen, wodurch die elektrische Energie in mechanische Bewegungsenergie umgewandelt wird.
Der Aufbau der einzelnen Membranschichten 16 wird nachfolgend beispielhaft anhand der 1a bis 1d erläutert:
Beispielsweise weist die erste oder unterste Membranschicht 16a, die direkt auf dem ersten Rahmenteil 12 aufliegt, eine erste Elektrode 20a auf, die an der Oberseite der Membranschicht 16a vorgesehen ist. Die erste Elektrode 20a ist mit dem ersten Anschluss 24 elektrisch gekoppelt. Eine derartige Elektrode 20a ist in 1c gezeigt, die einen Querschnitt darstellt.
Zur Kontaktierung des ersten Anschlusses 24 weist die erste Elektrode 20a einen seitlichen Vorsprung auf, der im ersten Randbereich 18 vorgesehen ist.
Dagegen weist die zweite Membranschicht 16b, die direkt auf der zum ersten Rahmenteil 12 entgegengesetzten Seite der ersten Membranschicht 16a angeordnet ist, eine zweite Elektrode 22b auf ihrer Oberseite auf. Eine derartige zweite Elektrode 22 ist beispielhaft in 1d gezeigt.
Die zweite Elektrode 22b erstreckt sich bis zum zweiten Rand 19, sodass die zweite Elektrode 22b der zweiten Membranschicht 16b mit dem zweiten Anschluss 25 elektrisch gekoppelt ist.
Dieser Aufbau wiederholt sich mehrfach.
Demnach weist die dritte Membranschicht 16c ebenfalls eine erste Elektrode 20c an ihrer Oberseite auf, die einen Vorsprung hat, der sich bis zum ersten Randbereich 18 erstreckt. Dagegen weist die vierte Membranschicht 16d eine zweite Elektrode 22d an ihrer Oberseite auf, die mit dem zweiten Anschluss 25 gekoppelt ist.
Die abschließende Membranschicht 16e weist dagegen wieder eine erste Elektrode 20e auf, die mit dem ersten Anschluss 24 elektrisch gekoppelt ist.
Hierdurch weist der Stapel 17 der Membranschichten 16 im Querschnitt ein asymmetrisches Elektrodenmuster auf, da jeweils abwechselnd eine erste Elektrode 20 (1c) und eine zweite Elektrode 22 (1d) vorgesehen sind.
Auf der jeweiligen Oberseite jeder zweiten Membranschicht 16 des Stapels 17 ist demnach entweder eine erste oder eine zweite Elektrode 20, 22 aufgebracht, wobei auf den Oberseiten der anderen Membranschichten 16 entsprechend eine zweite bzw. eine erste Elektrode 22, 20 aufgebracht ist.
Dadurch ist sichergestellt, dass den Membranschichten 16b bis 16e jeweils eine erste Elektrode 20 sowie eine zweite Elektrode 22 zugeordnet sind, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Diese Membranschichten 16b bis 16e werden dann beim Anlegen einer Spannung in Richtung des elektrischen Feldes gestaucht und dehnen sich aufgrund der Inkompressibilität der Membranschichten 16 entsprechend senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes aus, um ihr Volumen konstant zu halten. Die Ausdehnung der Membranschichten 16b bis 16e wird dann zur mechanischen Verstellbewegung genutzt.
In der gezeigten Schnittdarstellung der 1a weist die erste Membranschicht 16a noch eine zweite Elektrode 22a an ihrer Unterseite auf, die jedoch optional ist. Hierdurch ist lediglich sichergestellt, dass auch die erste Membranschicht 16a zur Ausbildung der mechanischen Verstellbewegung verwendet werden kann.
Ohne die zweite Elektrode 22a an ihrer Unterseite würde die erste Membranschicht 16a nur als Trägerschicht für die erste Elektrode 20a auf ihrer Oberseite fungieren, ohne einen Beitrag für die Verstellbewegung zu leisten; sie würde passiv verstellt, wenn die anderen Membranschichten „arbeiten“.
Wenn die zweite Elektrode 22a auf der Unterseite der ersten Membranschicht 16a weggelassen werden würde, dann würde jede Membranschicht 16 nur eine Elektrode 20, 22 auf ihrer jeweiligen Oberseite aufweisen.
Alternativ können alle Membranschichten 16 auf ihrer Oberseite und ihrer Unterseite jeweils eine Elektrode 20, 22 aufweisen, wobei die Elektroden 20, 22 entsprechend unterschiedliche Polarität aufweisen. Beispielsweise ist an der Oberseite eine erste Elektrode 20 vorgesehen, wohingegen an der Unterseite eine zweite Elektrode 22 vorgesehen ist. Die auf der Oberseite angeordnete Membranschicht 16 muss dann an ihrer Unterseite ebenfalls eine erste Elektrode 20 aufweisen, sodass keine Isolierung zwischen benachbarten Membranschichten 16 nötig ist.
In bestimmten Fällen kann dies jedoch vorgesehen sein.
Aus einem Vergleich der 1b bis 1d geht ferner hervor, dass sich die beiden Elektroden 20, 22 nur in ihren Vorsprüngen unterscheiden, über die sie mit dem jeweiligen Anschluss 24, 26 gekoppelt werden. Ansonsten weisen sie eine gleiche Grundfläche auf, die insbesondere fast der gesamten Fläche der jeweiligen Membranschicht 16 entspricht. Hierdurch liegen sich die Elektroden 20, 22 großflächig gegenüber.
Der Membranaktor 10 kann insbesondere vorgespannt eingebaut werden, so dass beispielsweise der Mittelbereich der Membranschichten 16 mittels einer Feder in einen ausgelenkten (konischen) Zustand vorgespannt werden. Durch Anlegen einer Spannung kann dann die Auslenkung des Mittelbereichs in der gewünschten Weise sehr präzise gesteuert werden.
Ferner weist der in 1a dargestellte Membranaktor 10 ein erstes Verbindungsteil 28 sowie ein zweites Verbindungsteil 30 auf. Das erste Verbindungsteil 28 ist wie das erste Rahmenteil 12 an der ersten Oberfläche 17a des Stapels 17 angeordnet, wohingegen das zweite Verbindungsteil 30 an der zweiten Oberfläche 17b des Stapels 17 angeordnet ist.
Die beiden Verbindungsteile 28, 30 sind am Stapel 17 jeweils mittig befestigt und weisen insbesondere eine Höhe auf, die den beiden Rahmenteilen 12, 14 entspricht. Hierdurch ist ein kompakt ausgebildeter Membranaktor 10 geschaffen.
Aus der 1a geht ferner hervor, dass die jeweiligen Elektroden 20, 22 der Membranschichten derart ausgebildet sind, dass sie den mittleren Bereich, in dem die Verbindungsteile 28, 30 vorgesehen sind, nicht bedecken. An den Verbindungsteilen 28, 30 kann die oben erwähnte Feder angreifen. Die Verbindungsteile können auch als Abtrieb des Aktors verwendet werden, um den erzeugten Hub auf ein anderes Bauteil (beispielsweise ein Ventilelement) zu übertragen.
In 2 ist eine Übersichtsdarstellung des Membranaktors 10 aus 1 gezeigt. Die Übersichtsdarstellung umfasst eine Draufsicht auf den nicht aktiven Membranaktor 10 (2a), sowie jeweils eine Schnittansicht des Membranaktors 10 in einer nicht aktivierten Stellung (2b) und einer ausgelenkten Stellung (2c).
Wie aus 2a hervorgeht, ist der Membranaktor 10 kreisförmig ausgebildet, da sowohl das erste Rahmenteil 12 als auch das zweite Rahmenteil 14 kreisförmig ausgebildet sind. Außerdem sind auch die einzelnen Membranschichten 16 kreisförmig ausgebildet sowie die Verbindungsteile 28, 30.
Im Ausgangszustand (2b) sind die Membranschichten 16 straff zwischen den Rahmenteilen gespannt, so dass sich die Verbindungsteile 28, 30 in einer Ausgangsstellung in der Mittelebene befinden.
Wird an den Membranaktor 10 über die beiden hier nicht dargestellten elektrischen Anschlüsse 24, 25 eine Spannung angelegt, so bildet sich jeweils zwischen direkt benachbarten Membranschichten 16 des Stapels 17 ein elektrisches Feld aus, da die direkt benachbarten Membranschichten 16 jeweils abwechselnd mit einem der Anschlüsse 24, 25 kontaktiert sind. Die aus elektroaktivem Polymer ausgebildeten Membranschichten 16 werden aufgrund der Anziehungskraft zwischen den Elektroden zusammengedrückt, so dass sich ihre Wandstärke verringert.
Da das Material der Membranschichten jedoch (nahezu) inkompressibel ist, wird das Material "länger". Dadurch kann der Mittelabschnitt der Membranschichten 16 gegenüber dem Ausgangszustand ausgelenkt werden. In 2c ist der Mittelabschnitt hier nach oben ausgelenkt. Dies kann mittels einer (nicht dargestellten) Feder erfolgen, die die Verbindungsteile 28, 30 nach oben verstellen kann, wenn die Membranschichten zwischen den Elektroden 20, 22 zusammengedrückt werden und sich daher "verlängern".
Wäre keine Feder oder ein anderes Bauteil vorhanden, das den Mittelabschnitt bezogen auf 2c nach oben verstellen würde, könnte der Mittelabschnitt auch, wenn eine Spannung angelegt wird, unter der Wirkung der Schwerkraft nach unten durchsacken.
Unabhängig von der jeweiligen Einbaulage und einem Element, das den Mittelabschnitt vorspannt, ist zu sehen, dass die angelegte elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, was die Auslenkung der Verbindungsteile 28, 30 zur Folge hat, wie aus der unteren Darstellung in der Übersichtsdarstellung hervorgeht.
Die Verbindungsteile 28, 30 können insbesondere mit zumindest einem zu verstellenden Element zusammenwirken, sodass bei Aktivierung des Membranaktors 10 eine mechanische Verstellung des zu bewegenden Elements erreicht wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Rahmenteile 12, 14 Mittel aufweisen, mit denen der Membranaktor 10 mechanisch befestigt werden kann. Bei den Mitteln kann es sich um Bohrungen oder Schlitze oder um Befestigungselemente handeln.
In den 3a bis 3c ist eine zweite Ausführungsform des Membranaktors 10 ebenfalls in einer Übersichtsdarstellung gezeigt.
Die zweite Ausführungsform des Membranaktors 10 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Rahmenteile 12, 14, die Membranschichten 16 sowie die Verbindungsteile 28, 30 im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind (siehe 3a). Lediglich die Ecken sind abgerundet.
Ansonsten sind der Aufbau sowie die Funktionsweise des Membranaktors 10 gleich. Der Vorteil der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass mehrere Aktoren eng nebeneinander angeordnet werden können, ohne dass zwischen ihnen Platz verschenkt wird.
In den 3d bis 3f ist der Membranaktor 10 aus 3 in einer Draufsicht (3d) sowie zwei Querschnittsansichten (3e und 3f) in unterschiedlichen Ebenen dargestellt, um die Ausbildung der beiden Elektroden 20, 22 gemäß der zweiten Ausführungsform zu verdeutlichen.
Die 3d bis 3f sind in analoger Weise zu den 1b bis 1d zu verstehen, sodass insbesondere aus den 3e und 3f die Ausdehnung der jeweiligen Elektrode 20, 22 hervorgeht.
In 4 ist eine dritte Ausführungsform des Membranaktors 10 in einer Übersichtsdarstellung gezeigt, die auf den ersten Blick der ersten Ausführungsform ähnelt.
Der Unterschied zwischen der dritten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform besteht jedoch darin, dass jede der Membranschichten 16 jeweils eine Öffnung 32 aufweist, welche mittig in der jeweiligen Membranschicht 16 ausgebildet ist (siehe 4a und 4b).
Die Öffnungen 32 der jeweiligen Membranschichten 16 sind in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls kreisförmig.
Wie aus der Übersichtsdarstellung der 4 hervorgeht, bewirkt eine Aktivierung des Membranaktors 10 gemäß der dritten Ausführungsform, dass sich die einzelnen Membranschichten 16 derart zusammenziehen, dass sich der Durchmesser der Öffnungen 32 verringert.
In der gezeigten Ausführungsform können sich die Öffnungen 32 so weit zusammenziehen, dass sie sich gegenüber einen Ausgangszustand (siehe die 4a und 4b) verschließen (siehe 4c). Auf diese Weise kann beispielsweise ein Strömungsquerschnitt unmittelbar gesteuert werden, ohne dass die Bewegung des Aktors auf ein Ventilelement übertragen werden muss.
In 5 ist eine vierte Ausführungsform des Membranaktors 10 dargestellt, die im Wesentlichen der dritten Ausführungsform entspricht, wobei die Rahmenteile 12, 14, die Membranschichten 16 sowie die Öffnungen 32 nicht kreisförmig ausgebildet sind, sondern im Wesentlichen rechteckig.
Der sonstige Aufbau sowie die Funktionsweise des Membranaktors 10 unterscheiden sich jedoch nicht von der dritten Ausführungsform; auch hier können die Öffnungen 32 aus einem Ausgangszustand (siehe die 5a und 5b) geschlossen werden (siehe 5c), indem eine Spannung an die Elektroden angelegt wird.
In den 6a bis 6e sind weitere Ausführungsformen des Membranaktors 10 gezeigt, wobei die Anordnung der Elektroden 20, 22 bzw. das Elektrodenmuster dargestellt sind.
Über die Anordnung und Gestaltung der Elektroden 20, 22, können unterschiedliche Bewegungen des erfindungsgemäßen Membranaktors 10 erzielt werden. Durch asymmetrische Elektroden können insbesondere asymmetrische Verformungen der Membranschichten erhalten werden.
In 7 ist ein Matrix-Membranaktor 34 in einer Draufsicht gezeigt.
Der Matrix-Membranaktor 34 weist einen umlaufenden Rahmen 35 mit dazwischen angeordneten Zwischenstegen 36 auf, die eine Matrix 37 ausbilden.
In dieser Matrix 37 sind mehrere Segmente 38 vorgesehen, in denen jeweils ein Membranaktor 10 angeordnet ist. Die Membranaktoren 10 sind jeweils gemäß der zweiten Ausführungsform ausgebildet, die in 3 gezeigt ist.
Jedem einzelnen Segment 38 sind zudem die Anschlüsse 24, 25 zugeordnet, sodass die einzelnen Membranaktoren 10 des Matrix-Membranaktors 34 unabhängig voneinander elektrisch betätigt werden können.
Der Matrix-Membranaktor 34 kann auch mit den Membranaktoren 10 der anderen Ausführungsformen ausgebildet sein. Insbesondere können auch Mischungen der Ausführungsformen in einem Matrix-Membranaktor 34 vorgesehen sein.
In 8 ist eine neunte Ausführungsform des Membranaktors 10 in einer Übersichtsdarstellung gezeigt, wobei die Draufsicht (8a) und die untere Schnittansicht (8c) nun die elektrisch angeregte Stellung des Membranaktors 10 zeigt.
Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen sind die Rahmenteile 12, 14 des Membranaktors 10 flexibel ausgebildet. Hierzu können die Membranaktoren 10 und insbesondere die Rahmenteile 12, 14 aus einer DEMES-Struktur ausgebildet sein.
Wie aus der in 8 dargestellten Übersichtsdarstellung hervorgeht, ziehen sich die einzelnen Membranschichten 16 und damit der Stapel 17 bei einer Spannungsbeaufschlagung zusammen.
Hierdurch gehen der Membranaktor 10 und insbesondere dessen Rahmen 15 aus seinem energetisch günstigen Gleichgewichtszustand (8b) in einen angeregten Zustand (8c) über.
Hierdurch verringert sich in der gezeigten Ausführungsform die Höhe des Membranaktors 10, wie sich insbesondere aus einem Vergleich der 8b und 8c ergibt.
Die Rahmenteile 12, 14 sowie die Membranschichten 16 sind in der dargestellten Ausführungsform jeweils kreisförmig ausgebildet.
Aus 9 geht eine weitere Ausführungsform des Membranaktors 10 hervor, bei der die Rahmenteile 12, 14 analog zur vorherigen Ausführungsform flexibel ausgebildet sind.
Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform sind die Rahmenteile 12, 14 sowie die Membranschichten 16 jedoch im Wesentlichen rechteckig.
Ein Vergleich der beiden Ausführungsformen, die in den 8 und 9 gezeigt sind, verdeutlicht zudem, dass die Rahmenteile 12, 14 hinsichtlich ihres energetischen Grundzustands unterschiedlich ausgebildet sein können. Dies äußert sich darin, dass die Rahmenteile sich, wenn keine Spannung anliegt, unterschiedliche weit zusammenziehen (und dementsprechend unterschiedlich weit verformen, wenn eine Spannung angelegt wird).
Der Rahmen 15 der Ausführungsform in 9 zieht sich im entspannten Zustand stärker zusammen als der Rahmen 15 der Ausführungsform in 8.
Aus den 10a bis 10e gehen weitere Ausführungsformen des Membranaktors 10 hervor, die jeweils in einer Draufsicht dargestellt sind.
Hierbei kann sowohl die Geometrie der flexiblen Rahmen 15 als auch diejenige des Elektrodenmusters entsprechend ausgebildet sein, um verschiedenste Bewegungen des Membranaktors 10 zu realisieren.
In 11 ist eine weitere Ausführungsform des Membranaktors 10 in einer Übersichtsdarstellung gezeigt, bei der die Draufsicht (11a) die angeregte Stellung des Membranaktors 10 (11c) zeigt.
In dieser Ausführungsform werden Merkmale der dritten Ausführungsform mit Merkmalen der neunten Ausführungsform kombiniert: der Aktor weist eine zentrale Öffnung 32 auf, und es werden DEMES-Strukturen verwendet.
Die zentrale Öffnung 32 liegt im Ausgangszustand (11b) zwischen viertelkreisförmigen Membranschichten vor. Diese sind aufgrund der Vorspannung ihrer Rahmenteile in derselben Richtung gebogen, so dass ihre Spitzen einen Abstand voneinander haben.
Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, verformen sie sich in einen gestreckten Zustand (siehe 11c), in der ihre Spitzen (nahezu) aneinander anliegen. Die Öffnung 32 ist nun (nahezu) geschlossen.
Dies ist möglich, da der Rahmen 15 teilflexibel ausgebildet ist. Der Rahmen 15 weist ein flexibles Rahmenteil 14a auf, das einen ringförmigen Abschnitt sowie vier, die vierteilkreisförmigen Membranschichten umgebene Abschnitte aufweist, die vom ringförmigen Abschnitt nach innen ragen.
Das teilflexible Rahmenteil 14a ist über seinen ringförmigen Abschnitt am starren Rahmenteil 14 fest angeordnet, wohingegen die nach innen ragenden Abschnitte frei sind, sodass sie sich aufgrund der flexiblen Ausbildung verformen können, wie ein Vergleich der 11a bis 11c verdeutlicht.
Generell lassen sich über den teilflexiblen Rahmen 15 verschiedene mechanische Bewegungsmuster und auch sehr unterschiedliche Geometrien der Membranaktoren 10 realisieren.
Anstelle des zweiten Rahmenteils 14 und insbesondere des Abschnitts 14a kann auch ein erstes oder zweites Verbindungsteil verwendet werden, das entsprechend flexibel ausgebildet ist.
Anhand der 12a bis 12e wird das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschrieben, mit dem der erfindungsgemäße Membranaktor 10 hergestellt werden kann.
Zur Herstellung des Membranaktors 10 ist ein Polymerfilm 40 vorgesehen, welcher zwischen einem ersten Walzenpaar 42 und einem zweiten Walzenpaar 44 geklemmt ist.
Ferner ist ein erstes Werkzeugteil 46 vorgesehen, das in der gezeigten Ausführungsform als Arbeitstisch ausgebildet ist. Auf dem ersten Werkzeugteil 46 ist das erste Rahmenteil 12 auf einer ersten Oberfläche 46a angeordnet, das in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt ist.
Der Polymerfilm 40 wird über das erste Walzenpaar 42, das sich mit einer ersten Geschwindigkeit dreht, an das zweite Walzenpaar 44 übergeben, das sich mit einer zweiten Geschwindigkeit dreht. Wenn sich die beiden Walzenpaare 42, 44 mit derselben Geschwindigkeit bewegen, wird keine Vorspannung des Polymerfilms 40 erzeugt, sodass lediglich eine Klemmung vorliegt.
Sollte jedoch das zweite Walzenpaar 44 eine höhere Drehgeschwindigkeit als das erste Walzenpaar 42 aufweisen, so wird der Polymerfilm 40 zwischen den beiden Walzenpaaren 42, 44 bereits mechanisch vorgespannt.
Das erste Werkzeugteil 46 wird mit dem darauf angeordneten ersten Rahmenteil 12 in Richtung des Polymerfilms 40 linear und translatorisch bewegt (s. 12b), sodass der zwischen den beiden Walzenpaaren 42, 44 eingeklemmte Polymerfilm 40 mechanisch gedehnt wird.
Hierdurch erfolgt eine uniaxiale Dehnung des Polymerfilms 40, also eine mechanische Dehnung in eine Richtung.
Es kann ein Ausrichtungsraster vorgesehen sein, das zuvor auf den nichtgedehnten Polymerfilm 40 aufgetragen worden ist. Anhand der Verformung des Ausrichtungsrasters ist erkennbar, ob die gewünschte Dehnung des Polymerfilms 40 erreicht worden ist. Das Ausrichtungsraster kann beispielsweise elektronisch detektiert und überwacht werden.
In der ersten Oberfläche 46a des Werkzeugteils 46 können ferner Öffnungen vorgesehen sein, über die ein Über- oder Unterdruck erzeugt werden kann, sodass der Polymerfilm 40 entweder gut über die erste Oberfläche 46a gleitet, wenn nämlich Luft oder Gas zwischen den Film und das Werkzeug eingeblasen wird, oder an dieser haftet, wenn der Film mit Unterdruck gegen die Oberfläche gesaugt wird.
Das Werkzeugteil 46 kann aus einem Sintermetall gebildet sein oder zumindest eine Sintermetallplatte aufweisen, die die erste Oberfläche 46a ausbildet, sodass die erste Oberfläche 46a luftdurchlässig ist.
Die erste Oberfläche 46a weist generell eine hohe Oberflächengüte auf, da sie mit der Polymerfolie 40 in Kontakt kommt.
Anschließend werden die beiden Walzenpaare 42, 44 derart um das erste Werkzeugteil 46 verfahren, insbesondere translatorisch verfahren, bis sie der zweiten Oberfläche 46b des ersten Werkzeugteils 46 gegenüberliegen, welche zur ersten Oberfläche 46a entgegengesetzt ist (s. 12c). Hierdurch ist das erste Werkzeugteil 46 von dem Polymerfilm 40 ummantelt worden.
Nun wird der Polymerfilm 40 an dem ersten Werkzeugteil 46 befestigt, insbesondere an der zweiten Oberfläche 46b des ersten Werkzeugteils 46.
Anschließend wird der Polymerfilm 40 im Bereich der beiden Walzenpaare 42, 44 durch Schneidemitteln 48 geschnitten, insbesondere in einem Bereich zwischen den befestigten Punkten am ersten Werkzeugteil 46 und den Walzenpaaren 42, 44 (s. 12d). Bei den Schneidemitteln 48 kann es sich um Messer oder Metallplatten handeln.
Nach dem Abschneiden des Polymerfilms 40 können sich die beiden Walzenpaare 42, 44 wieder frei bewegen und in ihre Ausgangsstellung zurückkehren.
Hierdurch ist die erste Membranschicht 16a auf dem ersten Rahmenteil 12 angeordnet. Anschließend kann die erste Elektrode 20 oder die zweite Elektrode 22 auf die erste Membranschicht 16a aufgebracht werden.
Die zuvor beschriebenen Schritte können nun erneut durchgeführt werden, um weitere Membranschichten 16 in analoger Weise aufzubringen, wobei die Elektroden 20, 22 jeweils abwechselnd aufgebracht werden, sodass ein Multischicht-Membranaktor 10 ausgebildet wird.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass die erste Membranschicht 16a am ersten Rahmenteil 12 befestigt wird, insbesondere verklebt oder verschweißt wird. Hierzu kann UV-härtendes Silikon oder ein thermisches Ultraschall-Kompressionsschweißverfahren verwendet werden.
In 12e ist die in 12d gezeigte Darstellung in einer Draufsicht dargestellt. Aus der Draufsicht geht hervor, dass eine Charge von Membranaktoren 10 gleichzeitig hergestellt worden ist. Hierzu wurden mehrere erste Rahmenteile 12 oder ein durchgehendes Teil auf dem ersten Werkzeugteil 46 angeordnet, das mehrere erste Rahmenteile 12 matrixartig umfasst. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Spritzgussmatrix handeln.
Nachdem sämtliche Membranschichten 16 auf den jeweiligen Membranaktor 10 angeordnet worden sind, wird das zweite Rahmenteil 14 auf die jeweils letzte oder oberste Membranschicht 16 gesetzt. Sämtliche Membranschichten 16 sind somit zwischen dem ersten Rahmenteil 12 und dem zweiten Rahmenteil 14 angeordnet, die den Rahmen 15 bilden.
Anschließend werden die einzelnen Membranschichten 16 durchkontaktiert, wobei dies mit einem Kontaktelement geschehen kann wie einen Niet oder einem Druckstift. Das verwendete Kontaktelement kann auch aus einem elastisch leitfähigen Elastomer gebildet sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, zusätzlich steife Befestigungselemente zwischen den beiden Rahmenteilen anzuordnen, so dass die Membranschichten zuverlässig gehalten sind. Ansonsten können die Kontaktelemente dazu verwendet werden, die Membranschichten in radialer Richtung an den Rahmenteilen 12, 14 zu fixieren.
Generell kann die Kontaktierung durch Stanzen erfolgen oder durch Eindrücken von Kontaktelementen.
Sofern die erste Membranschicht 16a eine Elektrode 20, 22 auf ihrer Unterseite aufweisen soll, kann diese aufgebracht werden, bevor die erste Membranschicht 16a auf das erste Rahmenteil 12 angeordnet wird oder auch nachträglich, wobei dies die Kontaktierung erschwert.
Somit ist ein erfindungsgemäßer Membranaktor 10 geschaffen, der ein Multischicht-Membranaktor ist.
Mit derartigen Herstellungsverfahren kann eine unidirektionale bzw. uniaxiale Vordehnung des Polymerfilms 40 erzeugt werden, welche insbesondere bei einem im Wesentlichen rechteckigen Membranaktor 10 von Bedeutung ist.
In der 13a sind die beiden Walzenpaare 42, 44 in ihrer Ausgangsstellung gezeigt, in der der Polymerfilm 40 dem ersten Walzenpaar 42 zugeführt wird. Da sich das erste Walzenpaar 42 dreht, wird der eingebrachte Polymerfilm 40 zum zweiten Walzenpaar 44 weitergeleitet, sodass der Polymerfilm 40 zwischen den beiden Walzenpaaren 42, 44 geklemmt ist.
Anschließend bewegt sich das zweite Walzenpaar 44 von dem ersten Walzenpaar 42 weg, wobei in Abhängigkeit der Bewegung des zweiten Walzenpaars 44 und dessen Rotationsgeschwindigkeit eine Vordehnung des Polymerfilms 40 erfolgen kann oder eben nicht.
Die Walzenpaare 42, 44 können insbesondere individuell angetrieben und gesteuert werden, um definierte Bewegungen sicherzustellen.
Ferner können die Walzenpaare 42, 44 eine Oberflächenhärtung oder Beschichtung aufweisen, sodass sie Antihafteigenschaften haben. Alternativ kann auch eine Gummierung vorgesehen sein.
In den 14a bis 14b ist eine alternative Ausführungsvariante des Herstellungsverfahrens dargestellt, bei der das zweite Walzenpaar durch einen Greifer 50 ersetzt worden ist, der mit einer definierten Geschwindigkeit linear bewegt wird.
Je nachdem wie hoch die Geschwindigkeit des Greifers 50 ist, kann eine Vordehnung des Polymerfilms 40 eingestellt werden.
In den 15a bis 15c ist eine alternative Ausführungsvariante des Herstellungsverfahrens gezeigt, bei dem eine radiale Dehnung des Polymerfilms 40 und somit der einzelnen Membranschichten 16 erzeugt wird.
In analoger Weise zur ersten Herstellungsvariante ist der Polymerfilm 40 zwischen dem ersten Walzenpaar 42 und dem zweiten Walzenpaar 44 geklemmt, insbesondere vorgespannt.
Ferner ist das erste Werkzeugteil 46 ebenfalls als Arbeitstisch ausgebildet, auf dem das erste Rahmenteil 12 angeordnet ist, was jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
Das erste Werkzeugteil 46 unterscheidet sich jedoch von demjenigen aus der ersten Ausführungsvariante dahingehend, dass Vorsprünge 52 vorgesehen sind, die von der ersten Oberfläche 46a des Werkzeugteils 46 vorstehen. Die Vorsprünge 52 sind an den äußeren Rändern des Werkzeugteils 46 angeordnet.
Die Funktion dieser Vorsprünge 52 wird anhand der 15b deutlich, da der festgeklemmte Polymerfilm 40 auf den Vorsprüngen 52 zu liegen kommt, wenn das erste Werkzeugteil 46 in Richtung des Polymerfilms 40 linear und translatorisch bewegt worden ist, um den Polymerfilm 40 mechanisch zu spannen bzw. zu dehnen.
Die Vorsprünge 52 stehen von der ersten Oberfläche 46a des ersten Werkzeugteils 46 derart ab, dass der Polymerfilm 40 das auf der ersten Oberfläche 46a angeordnete erste Rahmenteil 12 nicht kontaktieren.
Wie aus 15c hervorgeht, wird der mechanisch gedehnte Polymerfilm 40 nun mit einem zweiten Werkzeugteil 54 beaufschlagt, welches die zum ersten Werkzeugteil 46 entgegengesetzte Seite des Polymerfilms 40 kontaktiert. Das zweite Werkzeugteil 54 kann ebenfalls linear und translatorisch verfahren werden, um den Polymerfilm 40 zu kontaktieren.
In 16 ist der gestrichelt umkreiste Bereich in 15 detailliert dargestellt.
Aus der 16 geht hervor, dass das zweite Werkzeugteil 54 wenigstens eine Stempelanordnung 56 an seiner dem Polymerfilm 40 zugeordneten Seite hat. Über die Stempelanordnung 56 weist das zweite Werkzeugteil 54 eine Struktur auf, die dem ersten Rahmenteil 12 sowie dem ersten Verbindungsteil 28 entspricht, die beide auf der ersten Oberfläche 46a des ersten Werkzeugteils 46 angeordnet sind.
Die Stempelanordnung 56 weist entsprechend einen mittleren Stift 58 auf, der dem ersten Verbindungsteil 28 zugeordnet ist, sowie zwei äußere Stifte 60, 62, die mit dem ersten Rahmenteil 12 zusammenwirken können.
Bevor die Stempelanordnung 56 jedoch aktiviert wird, wird der Polymerfilm 40 in analoger Weise zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform am ersten Werkzeugteil 46 befestigt. Hierzu werden die beiden Walzenpaare 42, 44 um das Werkzeugteil 46 verfahren, sodass sie der zweiten Oberfläche 46b gegenüberliegen.
Dort wird der Polymerfilm 40 in analoger Weise befestigt, sodass nun die Stempelanordnung 56 aktiviert werden kann.
Wie aus dem Verlauf der 17 hervorgeht, wird über die Stempelanordnung 56 die gewünschte symmetrische und radiale Dehnung des Polymerfilms 40 erreicht, da zunächst der mittlere Stift 58 der Stempelanordnung 56 verstellt wird, wodurch der Polymerfilm 40 auf das erste Verbindungsteil 28 heruntergedrückt wird.
Anschließend werden die beiden äußeren Stifte 60, 62 ebenfalls linear verstellt, sodass der Polymerfilm 40 auf das erste Rahmenteil 12 gedrückt wird.
Die Stempelanordnung 56 stellt somit eine verstellbare Struktur dar, mit der die symmetrische und radiale Dehnung des Polymerfilms 40 sichergestellt ist.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Polymerfilm 40 zusätzlich an dem zweiten Werkzeugteil 54 befestigt wird, um eine zusätzliche Fixierung zu erreichen. Die Befestigung am zweiten Werkzeugteil 54 kann auch alternativ zur Befestigung am ersten Werkzeugteil 46 erfolgen.
Anschließend kann der Polymerfilm 40 am ersten Rahmenteil 12 befestigt werden, wobei dies durch Kleben mit beispielsweise UV-härtbarem Silikon oder durch thermisches Ultraschall-Kompressionsschweißen geschehen kann. Das zweite Werkzeugteil 54 kann die entsprechenden Instrumente zur Befestigung in aufweisen.
Generell hat das zweite Werkzeugteil 54 mehrere solcher Stempelanordnungen 56, sodass mehrere Membranaktoren 10 gleichzeitig hergestellt werden können. Dies ist insbesondere bei der chargenweise Herstellung der Membranaktoren 10 von Bedeutung.
Nachdem die mechanische Dehnung des Polymerfilms 40 erfolgt ist, kann der am ersten Werkzeugteil 46 befestigte Polymerfilm 40 in analoger Weise zur ersten Ausführungsvariante des Herstellungsverfahrens abgeschnitten werden, sodass die erste Membranschicht 16a ausgebildet ist.
Sollte der Polymerfilm 40 nur am zweiten Werkzeugteil 54 befestigt worden sein, so wird der Polymerfilm 40 entsprechend dort abgeschnitten.
Im Anschluss daran werden auf die erste Membranschicht 16a ebenfalls die erste Elektrode 20 oder die zweite Elektrode 22 aufgebracht.
Die zuvor beschriebenen Schritte werden nun wiederholt, sodass mehrere Membranschichten 16 aufgebracht werden, um den Multischicht-Membranaktor 10 auszubilden. Die auf den Oberseiten der Membranschichten 16 aufgebrachten Elektroden 20, 22 wechseln sich hierbei jeweils ab, sodass jeder Membranschicht 16 eine erste Elektrode 20 und eine zweite Elektrode 22 zugeordnet ist.
Als abschließender Schritt wird das zweite Rahmenteil 14 auf die letzte Membranschicht 16 aufgesetzt und die einzelnen Membranschichten 16 werden durchkontaktiert, um eine elektrische Verbindung herzustellen und die einzelnen Membranschichten 16 mit den Rahmenteilen 12, 14 mechanisch zu koppeln.
Ferner kann das zweite Werkzeugteil 54 Schneidemittel 64 aufweisen, mit denen der am ersten Werkzeugteil 46 befestigte Polymerfilm 40 direkt im Bereich des ersten Rahmenteils 12 bzw. des Membranaktors 10 abgeschnitten werden kann. Dies kann nach der Befestigung der jeweiligen Membranschicht 16 erfolgen oder nachdem sämtliche Membranschichten 16 angeordnet worden sind.
Das als Arbeitstisch ausgebildete erste Werkzeugteil 46 kann analog zu der vorher in den 12a bis 12e beschriebener Ausführungsform ausgebildet sein.
Die radiale Dehnung des Polymerfilms 40 eignet sich insbesondere für die Membranaktoren 10, die kreisförmig ausgebildet sind.
In 18 ist eine dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Membranaktors 10 schematisch dargestellt.
Bei dieser Ausführungsvariante des Herstellungsverfahrens wird als erstes Werkzeugteil 46 eine Arbeitstrommel verwendet, die in 19 perspektivisch gezeigt ist.
Das als Arbeitstrommel ausgebildete erste Werkzeugteil 46 weist in der gezeigten Ausführungsform acht Arbeitsflächen 66 auf, die jeweils einer von acht Arbeitsstationen 68 zugeordnet ist, wie aus 18 hervorgeht.
Wie in 18 bereits aufgrund der Pfeile angedeutet ist, kann das als Arbeitstrommel ausgebildete erste Werkzeugteil 46 rotatorisch und linear translatorisch bewegt werden, wodurch eine der acht Arbeitsflächen 66 schrittweise einer der Arbeitsstationen 68 gegenüberliegt. Hierzu dreht sich das Werkzeugteil 46 jedes Mal um 45 ° um seine Drehachse A.
Die Arbeitsstationen 68 weisen generell ebenfalls zumindest einen Freiheitsgrad auf, sodass sie linear verstellt werden können.
Anhand der 20a bis 20h wird die Herstellung des Membranaktors 10 anhand der dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beschrieben.
In dem ersten Prozessschritt wird der Polymerfilm 40 zwischen den beiden Walzenpaaren 42, 44 in eine durch die Arbeitsstationen 68 und das erste Werkzeugteil 46 ausgebildete Anlage 70 eingeführt. Hierbei ist der Polymerfilm 40 zwischen den beiden Walzenpaaren 42, 44 geklemmt, insbesondere leicht vorgespannt.
Das erste Werkzeugteil 46 befindet sich in einer translatorisch vom Zentrum verstellten Position.
Die erste Arbeitsstation 68a wird in dem ersten Prozessschritt translatorisch linear zum Polymerfilm 40 hin verfahren, sodass es fast in Kontakt mit dem Polymerfilm 40 kommt. Die erste Arbeitsstation 68a kann dabei die Dicke des Polymerfilms 40 messen, wobei die Dicke des Polymerfilms 40 aufgrund der Bewegung der Walzenpaare 42, 44 eingestellt werden kann. Insbesondere kann mit den unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Walzenpaare 42, 44 und der sich daraus ergebenden Streckung eine größere Vorspannung des Polymerfilms 40 erzeugt werden.
Die Dicke kann insbesondere mittels optischen Techniken wie Weißlichtinterferometrie, Transmissionsspektroskopie oder Laserprofilometrie gemessen werden.
Ist die gewünschte Dicke des Polymerfilms 40 erreicht, so wird der zweite Prozessschritt durchgeführt (siehe 20b).
Hierbei wird das als Arbeitstrommel ausgebildete erste Werkzeugteil 46 translatorisch bewegt, wobei es mit einer ersten Arbeitsfläche 66a gegen den Polymerfilm 40 gefahren wird und diesen mechanisch dehnt. Auf der ersten Arbeitsfläche 66a ist das erste Rahmenteil 12 platziert, sodass dieses zwischen der ersten Arbeitsfläche 66a und dem Polymerfilm 40 angeordnet ist.
Der Polymerfilm 40 kann dabei an der ersten Arbeitsfläche 66a des ersten Werkzeugteils 46 entlang gleiten, sofern die Oberfläche der ersten Arbeitsfläche 66a entsprechend ausgebildet ist.
In dieser Stellung misst die erste Arbeitsstation 68a erneut die Dicke des Polymerfilms 40 und befestigt den Polymerfilm 40 an dem ersten Werkzeugteil 46. Anschließend wird der Polymerfilm 40 in einem Bereich zwischen dem zweiten Walzenpaar 44 und der Befestigungsstelle abgeschnitten, wie durch den Pfeil schematisch dargestellt.
Zur Befestigung des Polymerfilms 40 an dem ersten Werkzeugteil 46 kann die erste Arbeitsstation 68a im Wesentlichen analog zu dem zweiten Werkzeugteil 54 gemäß der zweiten Ausführungsvariante des Herstellungsverfahrens ausgebildet sein.
Nun wird das als Arbeitstrommel ausgebildete erste Werkzeugteil 46 um seine Drehachse A um 45° gedreht, sodass die erste Arbeitsfläche 66a der zweiten Arbeitsstation 68b gegenüberliegt (20c). Dies stellt den Beginn des dritten Prozessschrittes dar.
In der zweiten Arbeitsstation 68b wird eine Oberflächenbehandlung des Polymerfilms 40 durchgeführt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Plasmaaktivierung handeln, die die Adhäsion der Elektronenschicht erhöht.
Gleichzeitig wird in der ersten Arbeitsstation 68a eine zweite Charge von Membranaktoren 10 vorbereitet, da dieselben Schritte wie in 20b durchgeführt werden.
Generell soll die Dehnung des Polymerfilms 40 konstant bleiben, weswegen die Dicke des Polymerfilms 40 ständig in der ersten Arbeitsstation 68a überwacht wird.
Nachdem die Oberflächenbehandlung durchgeführt worden ist, dreht sich das als Arbeitstrommel ausgebildete erste Werkzeugteil 46 erneut um 45°, sodass die erste Arbeitsfläche 66a der dritten Arbeitsstation 68c gegenüberliegt (siehe 20d).
In der dritten Arbeitsstation 68c werden auf die behandelte Oberfläche des Polymerfilms 40 die erste Elektrode 20 oder die zweite Elektrode 22 aufgebracht, sodass die entsprechende Elektrode 20, 22 später an der Oberseite der Membranschicht 16 aufgebracht ist.
Gleichzeitig wird eine dritte Charge der Membranaktoren 10, die auf der dritten Arbeitsfläche 66c angeordnet ist, in der ersten Arbeitsstation 68a vorbereitet, wobei die zweite Charge in der zweiten Arbeitsstation 68b einer Oberflächenbehandlung unterzogen wird.
In einem vierten Prozessschritt dreht sich das als Arbeitstrommel ausgebildete erste Werkzeugteil 46 erneut um 45° (siehe 20e), sodass die erste Arbeitsfläche 66a des ersten Werkzeugteils 46 der vierten Arbeitsstation 68d gegenüberliegt.
In der vierten Arbeitsstation 68d wird erneut eine Oberflächenbehandlung durchgeführt, wobei dies eine Korona-Behandlung sein kann, die die Entstehung von Blasen bei der Laminierung vermeiden soll.
In den Arbeitsstationen 68a bis 68c werden die weiteren Chargen der Membranaktoren 10 entsprechend behandelt.
Das erste Werkzeugteil 46 dreht sich nun weiter in 45°-Schritten, wobei die fünfte bis achte Arbeitsfläche 66e bis 66h mit einer Charge versehen wird und die in den ersten vier Arbeitsstationen 68a bis 68d vorgesehenen Prozessschritte durchgeführt worden sind.
Wenn die erste Arbeitsfläche 66a wieder zu der ersten Arbeitsstation 68a gelangt, dann wird eine zweite Membranschicht 16 aufgebracht.
Die Schritte wiederholen sich nun mehrfach, sodass jede Charge an Membranaktoren 10 mit mehreren Membranschichten 16 versehen werden (siehe 20f). Die einzelnen Membranschichten 16 werden dabei zu einem Verbund zusammenlaminiert.
Die Arbeitsstationen 5 bis 8 kommen erst dann zum Einsatz, wenn die Membranaktoren 10 sämtliche Membranschichten 16 aufweisen.
Wenn dies der Fall ist, so wird in der fünften Arbeitsstation 68e das zweite Rahmenteil 14 auf die oberste Membranschicht 16 angeordnet und befestigt (siehe 20g).
Gleichzeitig wird der Polymerfilm 40 im Bereich der ersten Arbeitsstation 68a getrennt. Die weiteren Chargen der Membranaktoren 10 werden noch in den vorherigen Arbeitsstationen 68a bis 68d weiter bearbeitet.
Anschließend dreht sich das erste Werkzeugteil 46 erneut um 45°, wobei die einzelnen Membranschichten 16 der Membranaktoren 10 in der sechsten Arbeitsstation 68f durchkontaktiert werden.
Nach einer erneuten Drehung des ersten Werkzeugteils 46 um 45° wird die Charge der fertiggestellten Membranaktoren 10 in der siebten Arbeitsstation 68g getestet.
Nach einer weiteren Drehung um 45° erreicht der Membranaktor 10 die achte Arbeitsstation 68h, in der die Charge der Membranaktoren 10 gestanzt oder ausgeschnitten werden, um die einzelnen Membranaktoren 10 auszubilden.
In den 21a bis 21c sind alternative Ausführungsformen des ersten Werkzeugteils 46 dargestellt, die bei dem Herstellungserfahren gemäß der dritten Ausführungsvariante verwendet werden können.
Die dargestellten Werkzeugteile 46 weisen weniger Arbeitsflächen 66 auf, sodass einer Arbeitsfläche 66 mehrere Arbeitsstationen 68 zugeordnet sein können.
Ferner sind in den 22a bis 22g verschiedene Ausführungsformen des Membranaktors 10 gezeigt, die mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gemäß einer der drei Ausführungsvarianten ebenfalls hergestellt werden können.
Diese entsprechend im Wesentlichen der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit dem Unterschied, dass die Membranaktoren 10 als Einzelschicht-Membranaktoren ausgebildet sind.
Generell ist mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ein erfindungsgemäßer Membranaktor 10 geschaffen, der große Kräfte bereitstellen kann und dennoch einen geringen Aufbau aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/083325 A [0005]

Claims

Membranaktor (10), der ein erstes Rahmenteil (12) und ein zweites Rahmenteil (14) aufweist, zwischen denen wenigstens zwei Membranschichten (16) gestapelt angeordnet sind, die als elektroaktive Polymerschichten ausgebildet sind.
Membranaktor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Membranschichten (16) direkt aneinander anliegen.
Membranaktor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rahmenteil (12) an einer ersten Oberfläche (17a) der wenigstens zwei Membranschichten (16) anliegt und/oder das zweite Rahmenteil (14) an einer zweiten Oberfläche (17b) der wenigstens zwei Membranschichten (16) anliegt, die zur ersten Oberfläche (17a) entgegensetzt ist.
Membranaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Verbindungsteil (28) vorgesehen ist, das an der ersten Oberfläche (17a) der wenigstens zwei Membranschichten (16) anliegt und/oder dass ein zweites Verbindungsteil (30) vorgesehen ist, das an der zweiten Oberfläche (17b) der wenigstens zwei Membranschichten (16) anliegt, wobei insbesondere das erste Verbindungsteil (28) und/oder das zweite Verbindungsteil (30) mittig an der jeweiligen Oberfläche (17a, 17b) anliegen bzw. anliegt.
Membranaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Membranschichten (16) jeweils eine Öffnung (32) aufweisen, die mittig in der jeweiligen Membranschicht (16) vorgesehen ist und insbesondere kreisförmig ausgebildet ist.
Membranaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Membranschichten (16) kreisförmig oder im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind.
Membranaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rahmenteil (12) und/oder das zweite Rahmenteil (14) kreisförmig oder im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind bzw. ist.
Membranaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rahmenteil (12) und/oder das zweite Rahmenteil (14) zumindest teilweise flexibel sind bzw. ist.
Membranaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Membranschichten (16) jeweils wenigstens eine Elektrode (20, 22) aufweisen.
Membranaktor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 22) direkt benachbarter Membranschichten (16) versetzt zueinander angeordnet sind.
Membranaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rahmenteil (12) einen ersten Anschluss (24) und/oder das zweite Rahmenteil (14) einen zweiten Anschluss (25) aufweisen bzw. aufweist.
Membranaktor (10) nach Anspruch 11 in Kombination mit einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 22) der wenigstens zwei Membranschichten (16) elektrisch kontaktiert sind, wobei die Elektroden (20, 22) jeder zweiten Membranschicht (16) mit dem ersten Anschluss (24) gekoppelt sind und die anderen Membranschichten (16) mit dem zweiten Anschluss (25).
Verfahren zur Herstellung eines Membranaktors (10), mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines ersten Werkzeugteils (46), eines ersten Rahmenteils (12) sowie eines Polymerfilms (40) aus einem elektroaktiven Material, b) Anordnen des ersten Rahmenteils (12) auf dem ersten Werkzeugteil (46), c) Klemmen des Polymerfilms (40), d) Mechanisches Dehnen des Polymerfilms (40), e) Fixieren des Polymerfilms (40), insbesondere am ersten Werkzeugteil (46), und f) Schneiden des Polymerfilms (40), sodass eine Membranschicht (16) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schritt g) durchgeführt wird, bei dem wenigstens eine Elektrode (20, 22) auf die Membranschicht (16) aufgebracht wird, wobei insbesondere Schritt g) nach den Schritten c) bis e) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) bis g) wiederholend ausgeführt werden, um mehrere Membranschichten (16) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 22) direkt benachbarter Membranschichten (16) versetzt zueinander angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Rahmenteil (14) bereitgestellt wird, das auf der zum ersten Rahmenteil (12) entgegengesetzten Seite der wenigstens einen Membranschicht (16) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerfilm in Schritt d) unidirektional oder radial gedehnt wird, insbesondere gleichmäßig gedehnt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeugteil (46) in Schritt d) bewegt wird, um den Polymerfilm (40) mechanisch zu dehnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Werkzeugteil (54) vorgesehen ist, das ebenfalls bewegt wird, um den Polymerfilm (40) zu dehnen.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeugteil (54) eine Struktur (56) aufweist, die dem ersten Rahmenteil (12) im Wesentlichen entspricht und/oder dass das zweite Werkzeugteil (54) dem ersten Rahmenteil (12) gegenüberliegend positioniert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membranschicht (16a) auf dem ersten Rahmenteil (12) befestigt wird, insbesondere geklebt oder geschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeugteil (46) ein Arbeitstisch oder eine Arbeitstrommel ist, die mehrere Arbeitsflächen (66) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das als Arbeitstrommel ausgebildete erste Werkzeugteil (46) um eine Rotationsachse (A) gedreht wird, sodass ein einer Arbeitsfläche (66) zugeordnete Polymerfilmabschnitt des Polymerfilms (40) unterschiedlichen Arbeitsstationen (68) zugeführt wird.