Hannover Messe: Čerpadla a ventily z tenké fólie šetří energii a jsou lehké

Se svým nejnovějším prototypem vakuové pumpy představuje výzkumný tým svou technologii na letošní výstavě Hannover Messe. Inženýři tímto způsobem dosahují plynulého vakua o tlaku až 300 milibarů. Aby byla technologie názorná, fólie v demonstračním zařízení vytváří vakuum v skleněné kouli s balónkem. Doktorka Carmen Perri se podílí na výzkumu chytrých pump a ventilů vyrobených z tenké silikonové fólie. © Oliver Dietze / Výzkumný tým představuje svůj nejnovější prototyp vakuové pumpy na letošní výstavě Hannover Messe. Ph.D. studentka Carmen Perri provádí výzkum chytrých pump a ventilů vyrobených z ultratenké silikonové fólie. © Oliver Dietze

Paul Motzki, profesor pro chytré materiálové systémy pro inovativní výrobu na Univerzitě v Saarlandu a výkonný ředitel Centra pro mechatroniku a automatizační techniku (ZeMA). © Oliver Dietze / Paul Motzki, profesor chytrých materiálových systémů pro inovativní výrobu na Univerzitě v Saarlandu a výkonný ředitel Centra pro mechatroniku a automatizační techniku (ZeMA). © Oliver Dietze

Aby byla technologie pro návštěvníky veletrhu názorná, postavili vědci tento demonstrační model: Chytrá fólie zde vytváří vakuum v vakuové komoře. To je vidět na červeném balónku, který se uvnitř skleněné koule „nafukuje“ – podobně jako ve fyzikální hodině: protože je vzduch kolem balónku odsáván, mají vzdušné částice uvnitř balónku více místa k rozšíření – jenže zde se to děje úplně bez hlasitého hluku kompresoru vzduchu. © Oliver Dietze

Kompaktní, lehké, tenké a energeticky úsporné: Tenká silikonová fólie umožňuje novou formu miniaturizovaných čerpadel a ventilů. Fungují na malém prostoru, bez stlačeného vzduchu, bez motorů a zařízení a bez maziv. Jsou vhodné do čistých prostor a lze je regulovat i během provozu. S prototypem nového vakuového čerpadla představuje tým profesorů Stefana Seeleckeho a Paula Motzkiho z Univerzity Saar na veletrhu Hannover Messe svou technologii.

Vakuové zařízení dnes v mnoha domácnostech zajišťují vzduchotěsné uchovávání potravin. Ale vakuum je žádané i v mnoha dalších oblastech: například v brzdových posilovačích aut nebo v lékařských odsávacích systémech na operačních sálech, v laboratořích farmacie a biotechnologie a často i v průmyslu. Pod vakuem jsou potraviny šetrně sušeny a sací úchytky třídí produkty na dopravních pásech. K vytvoření vakua, tedy odstranění vzduchu nebo kapaliny, se dnes často používá stlačený vzduch. K tomu se používají čerpadla, která jsou v pozadí poháněna kompresory nebo motory. Ty spotřebovávají hodně energie, zařízení jsou velká a hlučná, vyžadují údržbu a olej, což je v čistých nebo sterilních prostředích obtížné.

Naprostá absence stlačeného vzduchu nebo motorů, ale s nízkou spotřebou energie, je charakteristická pro čerpadla a ventily, které vyvíjí tým vědců profesorů Stefana Seeleckeho a Paula Motzkiho z Univerzity Saar a centra pro mechatroniku a automatizační techniku (Zema): Fungují s tenkými silikonovými fóliemi, do nichž se pohybuje pouze pomocí elektrického napětí. „Technologie je levná na výrobu, součástky jsou lehké, což pomáhá šetřit místo a hmotnost. Navíc jsou tato čerpadla a ventily výrazně energeticky účinnější než dnešní metody,“ říká Paul Motzki. „Ve srovnání s běžným procesním ventilem pro stlačený vzduch, který je poháněn elektromagnetem, má stejný ventil s naším pohonem o 400krát nižší spotřebu energie,“ vysvětluje profesor pro systémy chytrých materiálů pro inovativní výrobu na Univerzitě Saar a jednatel Zema. Tyto metody také nevyžadují vzácné materiály, jako jsou vzácné zeminy nebo měď. A na rozdíl od čerpadel poháněných kompresory jsou fóliové protějšky tiché.

Vědci mohou libovolně pohybovat fóliemi o tloušťce 50 mikrometrů. Ty jsou oboustranně potištěny vodivou, vysoce elastickou elektrodovou vrstvou. Pokud inženýři na fólii aplikují elektrické napětí, fólie se kvůli elektrostatickému přitahování vertikálně stlačí a rozšíří se po ploše. „S těmito takzvanými dielektrickými elastomery vyvíjíme různé nové pohony, které nepotřebují žádné další senzory,“ vysvětluje Paul Motzki. Změnou elektrického pole mohou vědci fólie plynule posouvat nebo vibrovat s libovolnou frekvencí a kmitáním. Fólie může také udržet jakoukoliv požadovanou polohu, přičemž jinak nevyžaduje žádný proud.

„Fólie jsou samy svým vlastním senzorem. Funkci polohového senzoru zajišťují dielektrické elastomery přímo,“ říká Paul Motzki. Každé deformace fólie lze přiřadit k měřené hodnotě elektrické kapacity. I při nejmenším pohybu se hodnoty mění. Na základě těchto hodnot inženýři poznají, jak je fólie mechanicky vychýlená, tedy jak se právě deformuje. V řídicí jednotce mohou na základě těchto měření a pomocí umělé inteligence naprogramovat pohybové vzory. Fólie jako pohon v příslušenstvích čerpají a uvolňují vakuum s požadovaným tlakem, přesně dávkují kapaliny jako ventil nebo fungují jako plynulý spínač.

Kromě toho jsou fóliová čerpadla a ventily schopny sledovat svůj vlastní stav a signalizovat, kde je chyba. Měřené hodnoty odhalí, když něco selže, například když vakuum není správně vytvořeno nebo když je ventil či čerpadlo zablokováno cizím předmětem. Pokud se to dnes stane v průmyslových zařízeních, může být hledání závad složité.

S nejnovějším prototypem vakuového čerpadla představuje tým vědců svou technologii na letošním veletrhu Hannover Messe: jejich fóliové pohony již dokážou vytvořit tlak až 300 milibarů absolutního tlaku. „Technologie se dá jednoduše škálovat. Přepínáme naše akční členy a čerpadlové komory buď paralelně, nebo sériově, nebo obojí současně, a tím můžeme zvětšit tlak i průtok,“ říká Paul Motzki. Aby byla technologie pro návštěvníky veletrhu názorná, postavili vědci demonstrační zařízení: jejich chytrá fólie zde vytváří vakuum v vakuové komoře. To je vidět na balónku, který se uvnitř skleněné koule „nafoukne“ – podobně jako ve fyzice: když je vzduch kolem balónku odsáván, mají vzdušné částice uvnitř balónku více místa k roztažení – jenže zde se to děje úplně bez hlučného kompresoru.

Vědci mohou své technologie čerpadel a ventilů integrovat do různých konstrukčních tvarů, jsou vhodné pro masovou výrobu a mohou být v řádu několika let rozšířeny do katalogových produktů. Na veletrhu Hannover Messe hledají vědci partnery z průmyslu.

Pozadí

Ve výzkumu technologie dielektrických elastomerů se pod vedením profesorů Stefana Seeleckeho a Paula Motzkiho podílejí také mnozí mladí vědci v rámci několika doktorských prací. Tato technologie je předmětem řady publikací v odborných časopisech a byla financována v rámci několika výzkumných projektů: například Evropskou unií v rámci Marie Curie Research Fellowships, saskou zemskou vládou v rámci projektů EFRE iSMAT a Multi-Immerse a také například prostřednictvím MESaar v rámci doktorského kolégia. Výzkumný tým technologii využívá pro různé aplikace, mimo ventily a čerpadla například i pro robotické uchopovače, reproduktory, ale i pro chytré textilie nebo haptickou zpětnou vazbu.

Vědci chtějí své výsledky aplikovaného výzkumu uvést do průmyslové praxe. K tomu založili z katedry firmu mateligent GmbH, která bude také zastoupena na stánku Saarlandu na Hannover Messe.

Odpovědi na otázky:
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki: T:+49 (681) 85787-13; E: paul.motzki@uni-saarland.de