Die Aggregate sind zudem reinraumtauglich und lassen sich während des Betriebs regulieren. Mit dem Prototyp einer neuartigen Vakuumpumpe konnte das Team der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki von der Universität des Saarlandes stufenlos ein Vakuum von bis zu 300 mbar Druck ziehen.
Elektrische Spannung setzt Folien in Bewegung
Die neuartigen Vakuumpumpen, aber auch Pumpen und Ventile, funktionieren mit dünnen Silikonfolien, in die allein mithilfe von elektrischer Spannung Bewegung kommen. „Die Technik ist kostengünstig in der Herstellung, die Bauteile sind leicht, das hilft Platz und Gewicht zu sparen. Dazu sind diese Pumpen und Ventile erheblich energieeffizienter als heutige Verfahren“, sagt Motzki. „Im Vergleich zu einem marktüblichen Prozessventil für Druckluft mit einem Elektromagneten Uhat dasselbe Ventil mit unserem Antrieb einen 400-mal niedrigeren Energieverbrauch“, erläutert der Professor für Smarte Materialsysteme für innovative Produktion an der Universität des Saarlandes und Geschäftsführer des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema). Auch kommen diese Verfahren ohne seltene Erden oder Kupfer aus. Und im Gegensatz zu mit Kompressoren betriebenen Pumpen sind die Folienpendants zudem leise.
Damit die 50 µ dicken Folien nach Belieben Bewegungen vollführen können, sind sie beidseitig mit einer elektrisch leitfähigen, hochdehnbaren Elektrodenschicht bedruckt. Legen die Ingenieure hier eine elektrische Spannung an, drückt sich die Folie wegen der elektrostatischen Anziehung vertikal zusammen und dehnt sich in ihrer Fläche aus. Indem die Forscher das elektrische Feld verändern, können sie die Folien stufenlos Hub-Bewegungen verrichten oder auch mit beliebiger Frequenz und Schwingung vibrieren lassen. Die Folie kann auch jede gewünschte Stellung halten, wobei sie keinen Strom verbraucht.
Folien fungieren zugleich als Positionssensoren
„Die Funktion eines Positionssensors liefern die dielektrischen Elastomere gleich mit“, sagt Motzki. Jede Verformung der Folie lässt sich einem Messwert der elektrischen Kapazität zuordnen. Anhand der Messwerte erkennen die Ingenieure, wie die Folie mechanisch ausgelenkt ist. In einer Regelungseinheit können sie anhand dieser Messwerte mithilfe Künstlicher Intelligenz Bewegungsabläufe programmieren. Eingesetzt als Antrieb in entsprechenden Apparaturen ziehen und lösen die Folien in motorlosen Pumpen ein Vakuum mit gewünschtem Druck, dosieren als Ventil Flüssigkeiten exakt oder fungieren als stufenlose Schalter.
Außerdem können die Folienpumpen und -ventile ihren eigenen Zustand überwachen und signalisieren, wo der Fehler liegt. Die Messwerte verraten, wenn etwas schiefgeht, also etwa das Vakuum nicht richtig gezogen wurde oder Ventil oder Pumpe durch einen Fremdkörper blockiert sind. Passiert dies heute in großen Industrieanlagen, kann die Fehlersuche mitunter kompliziert werden.
Die Technik lässt sich zudem einfach skalieren. „Hierzu schalten wir unsere Aktoren und Pumpenkammern entweder parallel oder in Reihe oder beides zugleich und können so Druck und Volumenstrom vergrößern“, sagt Motzki.