EAP aktuátorok megvalósításának

lehetséges megoldásai

DEAP és ionos polimerekkel

Mőszaki tervek és vázlatok

MAJÁK Nonprofit Kft

Gyır, 2010

2

Tartalomjegyzék

Tartalomjegyzék......................................................................................................................... 2

Bevezetés................................................................................................................................ 3

Győrőbe foglalt feszített EAP fólia............................................................................................ 3

Nem elıfeszített EAP konstrukció hasonló funkcióra ...........................................................5

Rúgóval elıfeszített hengeres emelı (nyomó) aktuátor felépítése......................................... 8

Húzóerı kifejtésre tervezett EAP fóliából készült aktuátorok ............................................. 10

Elıfeszített, egymás ellen dolgozó fóliából álló aktuátorok .................................................... 11

Két részre osztott EAP fóliasáv aktuátor.............................................................................. 11

Négy EAP fóliasávból álló aktuátor..................................................................................... 12

Aktuátor csuklós szerkezettel ............................................................................................... 13

Síkban elhelyezett EAP fóliákból készíthetı aktuátor szerkezetek...................................... 14

A DEAP fóliák térben történı elrendezése úgy, hogy lineáris mozgást állítson elı a fóliák

egymást váltó gerjesztése ......................................................................................................... 15

Rétegelt, hajtogatott aktuátor típusok................................................................................... 17

Szelep megoldása DEAP aktuátorral ................................................................................... 19

Hangszóró DEAP anyagokkal.............................................................................................. 19

Az ionos elektroaktív anyagokból elıállítható aktuátor típusok.............................................. 20

Az ionos vezetı polimer – fém kompozitok mőködésének alapjai...................................... 20

Az egyszerő elhajló aktuátor ................................................................................................ 21

Szelep megoldás ionos EAP anyagokkal ............................................................................. 25

Megfogó szerkezet ionos EAP anyag felhasználásával ....................................................... 26

Szárnymozgást utánzó szerkezet .......................................................................................... 27

Érzékelés, szenzor mőködés.................................................................................................27

Felhasznált források ............................................................................................................. 28

3

Bevezetés Az EAP anyagokból készült aktuátorok sokfélék lehetnek. Bár mindegyikben közös lehet az

EAP anyag, azonban a mőszaki megoldásoktól függıen sokféle aktuátort lehet készíteni.

Elıször a dielektromos EAP - DEAP anyagokból megvalósítható aktuátorok tárgyalásával

foglalkozunk. A lehetséges megvalósítási ötletek olyan gazdag kínálata áll rendelkezésre,

hogy a teljességre való törekvés nem lehet a célunk, ezért csak a legfontosabb esetekre térünk

ki.

Győrőbe foglalt feszített EAP fólia Nézzük meg egy olyan aktuátor elvi felépítését, amely alkalmas arra, hogy a Braille írás egyik

eleme legyen. Az aktuátor elkészítése egyszerő, olyan anyag kell hozzá, amely vékony

hártyaként egy győrős rendszerbe van befogva és ott enyhén megfeszítve. Ha a fólia közepén

egy de átmérıjő körben két oldalán elektródával ellátott EAP fóliát használunk, akkor a fóliára

feszültséget kapcsolva, a fólia vastagsága megváltozik. Az elıfeszítés miatt a középen lévı

kör átmérıje dúj értékre változik. Ez az egyik leglátványosabb DEAP aktuátor kísérlet. Az

elıfeszített fólia anyaga VHB4905.

A elıfeszített VHB 4095 fóliával készíthetı kör alakú aktuátor

de dúj

Elıfeszített nem gerjesztett fólia (V=0kV)

Gerjesztett fólia (V=10kV)

Keret

Elektróda

4

Az aktuátor mozgása a kísérlet alatt nagyon jól látható. Abban az esetben, ha a fólia egyik

oldaláról valamilyen nyomást alkalmazunk, akkor az a másik oldalon kidudorodik. Ezt a

dudort már tapintással érzékelni lehet. A dudor eltüntetése a feszültség lekapcsolásával

oldható meg.

Az aktuátor elkészítéséhez célszerő mőanyag elemeket használni, és a feszültséget vezetı

elektródákat ebbe az anyagba beépíteni. Ugyanúgy az egyik oldali nyomás ezzel a

konstrukcióval viszonylag könnyen megoldható.

5

Nem elıfeszített EAP konstrukció hasonló funkcióra

Abban az esetben, amikor többrétegő fóliát alkalmazunk egy győrőbe befoglalva, a rétegelt

fólia kitágulása nem történhet meg csak úgy, hogy a rétegelt térfogat kihajlik a síkból és ott

érezhetı kidudorodást okoz. A szerkezet felépítése a következı lehet:

A kihajló aktuátor sematikus rajza.

EAP anyag elektródákkal

a

Keret

d

dr

df

Keret DEAP anyag

Elektródák

6

Egy megvalósított kihajló aktuátor fényképe A fenti típusú aktuátorokból felépíthetı egy könnyen vezérelhetı Braille írást elıállító

(megjelenítı) gép. Nem kell mást tenni, mint a rendszert egy karakterfelismerı program

segítségével megtanítani a karakterek braille kódjának elıállítására. Az aktuátorok vezérlése

ezután már elektronikusan megoldható.

A kihajló aktuátorokból összeállított Braille cella képe

7

A braille modul vezérlését megoldó elektronikus áramkör fényképe

Hidrosztaikusan mőködtetett dielektromos aktuátor Braille cellához

Eredet: Federico Carpi, University of Pisa, Research Centre, E. Piaggio”, Italy

8

Rúgóval el ıfeszített hengeres emel ı (nyomó) aktuátor felépítése Az egyik legelterjedtebb aktuátor konstrukció a fóliából készült rúgóval elıfeszített hengeres

megoldás. A konstrukció lényege a következı: az elektródával bevont EAP fólia feszültség

hatására úgy változtat alakot, hogy megnyúlik. Ennek hatására a rúgóerı elmozdítja az

aktuátor véglapját, ami erıkifejtéses elmozdulást jelent. Ha a feszültséget lekapcsoljuk, akkor

az EAP fólia újra felveszi eredeti alakját. Ez az aktuátor szerkezetet összehúzza eredeti

állapotába, így ez a fázis is felhasználható erıkifejtésre is.

A hengeres aktuátort elıfeszítı rúgó és a fóliát tartó hengerek összeszerelése kiengedett és összenyomott formában

A fenti konstrukció alkalmas arra, hogy a fólia felhasználásával nyomóerıt kifejtı aktuátort

készítsünk. A nyomóerı természetesen nem lehet nagyobb, mint a beépített rúgóerı. A

gyakorlatban azonban azt sem lehet elérni, mivel az aktuátort mindig feszített állapotban kell

tartani. Az aktuátor összeállításánál két technikai probléma merülhet fel:

• hogyan rögzítsük a fóliát az ıt tartó hengerekhez,

• az EAP fóliát vezérlı feszültség hozzávezetést is meg kell oldani.

A fólia rögzítése történhet szorító győrővel (nem lehet elektromosan vezetı, hogy nehogy

zárlatot okozzon). A nagyfeszültségő vezérlı feszültséget célszerően a fólia szélén, az

aktuátor végén odavezetni, vagy az egyik végén, vagy mindkét végén.

9

A hengeres aktuátor összeszerelt állapotban elektródák nélkül

A hengeres EAP fólia aktuátor felhasználási területei számosak. Lássuk az egyik

leglátványosabb konstrukciót, a lépegetı hatlábú robot megvalósítását.

FLEX2 lépegetı robot, amely hengeres aktuátorral épült

A fényképen látható, hogy az alapaktuátor sokféle szerepben jelenik meg a robotban és az

aktuátor könnyő vezérlése azért fontos, hogy a bonyolult robotszerkezetek vezérlését minél

jobban meg lehessen oldani. Itt a mikroprocesszoros vezérlés nagy szerepet kaphat.

10

Húzóerı kifejtésre tervezett EAP fóliából készült aktuátor ok Az EAP anyagok alapeffektusát kihasználni képes aktuátor szerkezet, a húzóerı kifejtésre

alkalmas konstrukció. A konstrukció lényege, hogy az EAP fóliát egy hengerre tekerjük fel,

akár többmenetes réteget alkotva. A menetszám attól függ, hogy mekkora erıkifejtésre

akarjuk méretezni az aktuátort. A fólia elıfeszítése pl. az emelendı súllyal történik. Erıhatás

alatt a fólia megnyúlik. Ez a megnyúlás a feszültséggel aktivált fóliánál még nagyobb lesz. Ha

a feszültséget lekapcsoljuk, akkor a fólia összehúzódik, ami húzóerı kifejtését eredményezi.

Húzó (pull) erıkifejtésre szolgáló EAP aktuátor felépítése

A szerkezet viszonylag egyszerő, csupán a fólia tekercs felerısítését, illetve a fólián lévı

elektródákhoz a feszültség odavezetését kell megoldani.

11

Elıfeszített, egymás ellen dolgozó fóliából álló aktuá torok Az egyszerő összehúzódás - kitágulás mozgásokból, ha két elıfeszített fóliát egymással

szemben kapcsolunk és azokat felváltva gerjesztjük, akkor lineáris mozgást is elı tudunk

állítani.

Két részre osztott EAP fóliasáv aktuátor A következı ábrán egy két részre osztott EAP fóliasáv aktuátor sematikus szerkezetét

szemléltetjük. A mozgás lényege: az elıfeszített fóliát két részre osztjuk, mindegyik rész

külön elektródával van ellátva, így ezek a fólia részek egymástól függetlenül gerjeszthetık.

Ha most az egyik fóliarészre kapcsolunk feszültséget, az elıfeszítettség miatt a szerkezet

gerjesztett része megnyúlik, enged a nem gerjesztett rész húzóerejének és a középvonala

erıkifejtése mellett eltolódik a nem gerjesztett fólia irányába. Ha a következı lépésben a

korábban gerjesztett fólia darabról lekapcsoljuk a feszültséget, akkor az aktuátor visszaáll az

eredeti állapotba. Ez még fokozható azzal, hogy ez alatt a másik fólia részt gerjesztjük

feszültség rákapcsolásával. Ekkor az elmozdulás ereje (és esetleg a sebessége is) nagyobb

lesz.

A két irányba mozgó aktuátor elvi felépítése

12

A következı aktuátor konstrukció az elızınél bonyolultabb mozgások elıállítására alkalmas.

Valójában kettı aktuátort tartalmaz az elızı típusból összeépítve. Ezért négy külön

vezérelhetı elıfeszített EAP szektort tartalmaz. Ezzel a konstrukcióval az EAP anyagok

találkozási pontjánál az egyes szektorok gerjesztésétıl függı mozgások is elıállíthatók. Ez a

különbözı irányokban történı lineáris elmozdulások mellett lehet változatos görbe szerinti

mozgás. Az elektromos gerjesztések odavezetése ebben a konstrukcióban nem okoz

különösebben problémát, hiszen a befogó szerkezet sarokpontjainál ez könnyen megoldható.

Négy EAP fóliasávból álló aktuátor Az alábbi aktuátor mintájára három-, öt-,hat- stb. szögő aktuátor is készíthetı. A magasabb

szögszámú aktuátorok nem túlságosan célszerőek, ugyanis a mozgatás szabadsági foka nem

nı, a konstrukció bonyolultsága pedig a vezérlési feladattal együtt egyre bonyolultabb lesz.

Egy négyszögő EAP fólia sáv aktuátor elvi felépítése.

13

Aktuátor csuklós szerkezettel A következı szerkezet szintén alkalmas EAP fóliából történı aktuátor elıállítására.

Egy csuklós parallelogramma alakú aktuátor elvi felépítése

A konstrukció elınye az egyszerő felépítés és az egyszerő elemekbıl történı építkezés

lehetısége nagyobb erıkifejtésre alkalmas aktuátorok építésénél.

Az ábrán látható elrendezés mellett olyan megvalósítás is elképzelhetı, hogy az EAP anyag

fólia nem csak csíkban van az aktuátorban, hanem a teljes rombusz területét kitölti. Ekkor a

gerjesztés eredményeként szintén az ábrán látható mozgások keletkeznek. Ilyen megvalósított

aktuátor látható az alábbi ábrán is.

Az aktuátorokat egymás mellé helyezve és összeépítve megsokszorozhatjuk annak erejét.

Csuklós parallelogramma alakú aktuátor darabokban és összeszerelt formában

EAP fólia

Csuklós szerkezet

Csuklók

Az elmozdulások lehetséges iránya

14

J.-S. Plante and S. Dubowsky

Massachusetts Institute of Technology. Csuklós, parallelogramma alakú aktuátor fényképe

Síkban elhelyezett EAP fóliákból készíthet ı aktuátor szerkezetek A fenti aktuátorok esetében a mozgató EAP fóliák különbözı síkokban vannak elhelyezve.

Egyszerő szerkezet adódik akkor is, ha az egy síkban elıfeszített EAP fóliát a ráhelyezett

(felvitt) elektródákkal több szektorra bonjuk és a mozgást (mozgatást) úgy idézzük elı, hogy

az egyes szektorokat meghatározott sorrendben gerjesztjük.

Egy excentrikus EAP forgató szerkezet vázlatos felépítése

15

A fenti szerkezettel úgy tudunk forgómozgást elıállítani, ha az EAP anyagok találkozásánál

lévı tengelynél egy nagyobb belsı kör alakú fogaskereket helyezünk el és ebben található egy

a forgástengelyben elhelyezett tengelyen lévı fogaskerék. A belsı kör alakú fogaskereket az

EAP anyag megfelelı gerjesztésével a fogas tengellyel folytonosan érintkezı excentrikus

mozgásra kényszerítjük. Az a fogas tengellyel érintkezve az forgásba hozza és forgásban

tartja. A forgás sebességét az EAP fóliák megfelelıen vezérelt gerjesztésével szabályozhatjuk.

A DEAP fóliák térben történ ı elrendezése úgy, hogy lineáris mozgást állítson el ı a fóliák egymást váltó gerjesztése A győrőbe foglalt fólia aktuátorok lényeges továbbfejlesztéseként kaphatjuk a következı

ábrán látható elrendezést. Az elıfeszített DEAP fóliát két győrőbe befogva olyan aktuátort

kapunk, amely gerjesztésre nem tud a fólia síkjában mozogni, mivel az ébredı erık

kiegyenlítik egymást. Azonban, ha két körgyőrőt készítünk és a kapott két körgyőrőt

kimozdítjuk a síkjából és egymással szemben összekapcsoljuk, a kapott aktuátor szerkezet

lineáris mozgás elıállítására is alkalmas lesz. A mozgást úgy tudjuk kiváltani illetve

gerjeszteni, hogy a két egymással szemben lévı membránt felváltva gerjesztjük egymással

szinkronizálva.

Az egymással szemben feszített térbeli aktuátor elvi felépítése

A mozgás iránya

Belsı keret

Külsı keret

DEAP fólia

16

Az egymással szemben feszített térbeli aktuátor egy megvalósítása

17

Rétegelt, hajtogatott aktuátor típusok

Az egyszerő, néhány fóliát tartalmazó aktuátor konstrukciók alkalmazási területei

korlátozottak, mivel az elmozdulások és a kifejtett erık is határt szabnak

alkalmazhatóságuknak. Ezt a hátrányt lehet kiküszöbölni azzal az ötlettel, hogy az

aktuátorban ható effektusokat megsokszorozzuk úgy, hogy egy aktuátoron belül sok elmei

aktuátort építünk egybe.

A hajtogatott DEAP aktuátornál olyan hajtogatási módot kell alkalmazni, hogy az

elektródákhoz könnyen kapcsolható legyen a nagyfeszültség (kb. 2000 – 2500 V). Ennek

megoldása két oldalán elektródával bevont fólia esetén nem okoz gondot, csak egyes

elektróda felületek egymással érintkezve kétszeresen jelennek meg az aktuátorban, így ezeket

a hajtogatott aktuátorokat érdemes két, egy oldalon elektródával bevont fóliából hajtogatni.

Egy hajtogatott DEAP aktuátor elvi felépítése és mőködése

A rétegelt aktuátoroknál a konstrukció még egyszerőbb. Ott eleve olyan fólia lapok

készülhetnek, ahol az elektródák alakja elıre úgy van kialakítva, hogy a feszültség

odavezetése könnyen megoldható legyen. A következı kép egy ilyen elrendezést ábrázol.

18

Egy rétegelt aktuátor legetséges szerkezete

Külön technológiai problémát jelent az is, hogy a rétegeket hogyan erısítik egymáshoz abból

a célból, hogy az aktuátor ne csak nyomó, hanem húzó üzemmódban is mőködni tudjon. Ezt

pl. hıkezeléssel oldják meg. Bár meg kell jegyezni, hogy a hıkezelés a rétegekben lévı

elıfeszültségek megszüntetéséhez is szükséges.

Megvalósult rétegelt dielektrikus EAP aktuátor munka közben ( Gabor Kovacs, EMPA Dübendorf, Laboratory for Mechanical Systems Engineering, Switzerland

Meg kell jegyezni, hogy a rétegelt megoldással Japánban az Ionos polimer – fém kompozit

anyagból a természetes izomnál tízszer nagyobb feszültséget elıállító aktuátort sikerült

konstruálni.

19

Szelep megoldása DEAP aktuátorral A DEAP aktuátorok viszonylag kis elmozdulása azt azért lehetıvé teszi, hogy szelepeknél

vezérelhetı elemként alkalmazzuk ıket. A következı konstrukció egy lehetséges

megvalósítást vázol fel, amikor a DEAP anyaga alkotja magát a kapcsoló szelepet. Erre acélra

a viszonylag vastag szelep megvalósítása miatt a rétegelt szerkezet lehet alkalmas. Ha olyan

anyagáramlásról van szó, amikor az EAP anyag és az áramló anyag érintkezését el kell

kerülni, akkor az aktuátor becsomagolható az áramló anyaggal érintkezésbe lépı anyaggal.

Egy lehetséges szelep konstrukció DEAP aktuátor felhasználásával

Hangszóró DEAP anyagokkal A DEAP anyagok hasznosításának egyik legújabb eredménye az, hogy sikerült belılük

hangszórót is készíteni. A megoldás nagyon egyszerő, csak rendelkezni kell a megfelelı

gerjesztı feszültséget elıállító elektronikus erısítıvel. Ekkor a DEAP fólia olyan rezgést

végez, ami a levegıt megmozgatva élvezhetı hangot bocsát ki.

Az egyszerő hengeres DEAP hangszóró szerkezete

20

Az ionos elektroaktív anyagokból el ıállítható aktuátor típusok

Az ionos vezet ı polimer – fém kompozitok m őködésének alapjai Az ionos vezetıképes polimerek az elkektroaktív polimerek egy másik nagy osztályát

képezik. Lényeges különbség a DEAP polimerektıl az, hogy ezek az anyagok nem a

nagyfeszültség hatására kialakuló, a Maxwell elektrosztatikus erı okozta deformációval

állítják elı az elmozdulást, hanem az elektromos vezetıképességbıl fakadó effektusok

hatására alakjukat változtatják, pl. meghajlanak. A deformáció okainak részletes elemzését a

következı ábra szemlélteti. .

Az ionos polimer – fém kompozit anyagok deformációja feszültség hatására

Az ionos polymer – fém kompozitok felépítése: vékony ionos vezetı membrán, amely

hajlékony nemesfém elektródával van bevonva mindkét felületén. A vezetıképes polimerben

az anionok és a kationok a polimer anyagához kötıdve egyensúlyban vannak egymással úgy,

hogy nincsen töltésmegoszlás a polimeren belül. Ha a membrán felületén elhelyezkedı

elektródákra feszültséget kapcsolunk, akkor az anód elektrosztatikus erıt fejt ki a pozitív

töltéső kationokra, amelyek ahhoz közelebb vándorolnak, ahogy azt az ábrán szemléletesen

ábrázoltuk. Ennek hatására a vékony membrán elhajlik. Ha az elektródákon megcseréljük a

feszültséget, akkor a folyamat ellentétes irányban játszódik le – a deformáció is ellenkezı

irányú lesz. Az effektust kihasználó aktuátorok nagyon gyors mőködésre képesek, kis

21

feszültséggel aktiválhatók (néhány volt) és nagy deformációkra képesek. A rendszer

impedanciája szintén kicsi lesz. Az ionos vezetéső polimerek leírt effektusa az egyik

legígéretesebb arra nézve, hogy a biomimetic (természetes viselkedést utánzó)

felhasználásokban alkalmazást nyerjenek. A leggyakrabban alkalmazott polimer – fém

kompozitok a Nafion és Flemion fémy kompozitok.

A továbbiakban csak az elérhetı deformációk felhasználásával elıállítható aktuátorok

lehetséges szerkezetével, azok felhasználási területeinek áttekintésével foglalkozunk.

Az egyszer ő elhajló aktuátor

A legegyszerőbb ionos vezetı polimer aktuátor vázlata

Az aktuátor mőködését a következı ábra szemlélteti. Ha az ionos fém-polimer kompozit

elektródájára feszültséget kapcsolunk, akkor az ionos fém-polimer kompozit csík a feszültség

irányától függıen meghajlik.

22

Egy ionos EAP aktuátort mőködtetı és vezérlı elektronika fényképe

A fenti ábrán szemléltetett aktuátor szerkezete nagyon egyszerő, mégis az alkalmazásokban

ez az egyik legelterjedtebb aktuátor. Az automatikus beállításokkal ellátott elektronikus

fényképezıgépeknél ilyen típusú aktuátorokat alkalmaznak. A következı két ábráról könnyen

látható, hogy egy ilyen fényképezıgép automatikája hogyan épül fel, és benne hol kap

szerepet egy ionos EAP aktuátor, és milyen elektronikus visszacsatolt vezérlést tartalmaz a

rendszer.

23

24

25

Szelep megoldás ionos EAP anyagokkal Az ionos EAP anyagok azon tulajdonsága, hogy alakjukat elhajlással változtatják meg

alkalmassá teszi ıket arra, hogy viszonylag egyszerő szelep konstrukciót tudjunk

segítségükkel elıállítani. Az alábbi rajzon egy ilyen megoldást vázolunk fel.

Ionos EAP anyaggal készült egyszerő szelep megoldás

26

Megfogó szerkezet ionos EAP anyag felhasználásával Az EAP anyagok egyik nagy reménnyel kecsegtetı felhasználási területe a mesterséges

robotok konstruálása. A világ számos helyén folynak kísérletek ilyen fejlesztések

megvalósítására. Ezen a területen különösen Japánban folyik intenzív és eredményes munka.

Az ábrán látható megfogó csak egy lehetséges megoldás a konstrukció elkészítéséhez. A

gyakorlatban számos megoldás született eddig, egyszerőtıl egészen a komplex megoldásokig.

Ionos EAP anyagokból készült megfogó aktuátor egy lehetséges megoldása

27

Szárnymozgást utánzó szerkezet Az ionos EAP anyagok nagyon gyors reagáló képessége arra is felhasználható, hogy az anyag

nagyfrekvenciás gerjesztésével annak nagyon gyors mozgásra késztessük. Ez és az anyag

nagyon vékony volta teszi lehetıvé, hogy annak felhasználásával mesterséges rovarokat (pl.

legyet) utánzó robotokat konstruáljanak, olyanokat, amelyek valóban repülni is tudnak.

Az alábbi ábrán látható konstrukcióval könnyen lehet egy ionos EAP fólia darabot

szárnymozgáshoz hasonló mozgásra kényszeríteni. Ehhez nem kell más, csak a nafion – fém

kompozit fólia darabot nagyfrekvenciás váltakozó 1,5 V-os feszültséggel gerjeszteni.

Érzékelés, szenzor m őködés Ha egy elég érzékeny oszcilloszkópot használunk, akkor megfigyelhetjük azt is, hogy a

vezetı polimerekben elhajlás hatására feszültség keletkezik. Ha a vezetı polimer elektródával

van ellátva és erre az elektródára csatlakozunk, a csatlakozó vezetéket pedig egy érzékeny

oszcilloszkóp bemenetéhez csatlakoztatjuk, akkor az oszcilloszkóp képernyıjén megjelenik a

deformáció által generált feszültség jele. Ez a jelenség alkalmas arra is, hogy a vezetı

polimerekbıl szenzorokat is készíthessünk.

28

Felhasznált források