Hannover Messe: Szivattyúk és szelepek vékony fóliából energia takarékosak és könnyűek

A kutatócsoport a legújabb vákuumszivattyú-prototípusát mutatja be az idei Hannoveri Vásáron. A mérnökök ezzel fokozatmentesen képesek vákuumot létrehozni akár 300 millibar nyomáson. Az, hogy szemléletes legyen a technológia, egy demonstrátorban egy vákuumot hoz létre egy üvegharangban lévő léggömbbel. Carmen Perri doktori hallgató a vékony szilikonfilm felhasználásával készült okos szivattyúk és szelepek kutatásában vesz részt. © Oliver Dietze / A kutatócsoport a legújabb vákuumszivattyú-prototípusát mutatja be az idei Hannoveri Vásáron. PhD hallgató Carmen Perri kutat az ultranagy szilíciumfilm felhasználásával készült okos szivattyúk és szelepek terén. © Oliver Dietze

Paul Motzki, az innovatív gyártásért felelős okos anyagrendszerek professzora a Szövetségi Sarre Egyetemen, valamint a Mechatronika és Automatizálási Technológia Központ (ZeMA) ügyvezető igazgatója. © Oliver Dietze / Paul Motzki, az innovatív gyártásért felelős okos anyagrendszerek professzora a Szövetségi Sarre Egyetemen, és a Mechatronika és Automatizálási Technológia Központ (ZeMA) ügyvezető igazgatója. © Oliver Dietze

Azért, hogy a technológiát a kiállítás látogatói számára szemléletesen bemutassuk, a kutatók megépítettek egy demonstrátort: az okos fólia itt egy vákuumot hoz létre egy vákuumgömbben. Ez látható a piros léggömbön, amely a üveggömb belsejében „felpuffad” – egy fizikaórás elrendezéshez hasonló: mivel a levegőt kiszívják a gömb körül, a léggömbben lévő léggömb részecskék több helyet kapnak a kitáguláshoz – csak éppen ez itt teljesen a hangos sűrítőgép zajkeltése nélkül történik. © Oliver Dietze

Kompakt, könnyű, lapos és energiatakarékos: Egy vékony szilikon fólia lehetővé teszi egy új típusú miniaturizált szivattyúk és szelepek kialakítását. Ezek kis helyen működnek, nyomás nélküli levegővel, motorok és berendezések nélkül, valamint kenőanyag nélkül. Tisztatéri környezetben is alkalmazhatók, és működés közben szabályozhatók. A Saar-Universität professzorainak, Stefan Seelecke és Paul Motzki kutatócsoportja bemutatja technológiáját a Hannoveri Vásáron egy új típusú vákuumszivattyú prototípusával.

A vákuumozók ma már sok háztartásban élelmiszerek légmentesen tartósítására szolgálnak. De a vákuum sok más területen is keresett: például autók féknyomás-erősítőiben vagy orvosi szívó rendszerekben az operációs termekben, laboratóriumokban, például a gyógyszer- és biotechnológiai kutatásokban, valamint sokszor az iparban is. Vákuum alatt az élelmiszereket kíméletesen szárítják, és szívószárnyas fogók osztályozzák a termékeket szállítószalagokon. A vákuum kialakításához, azaz levegő vagy folyadék eltávolításához ma gyakran nyomás alatt álló levegő (kompresszor) vagy motorok játszanak szerepet. Ezek energiaigényesek, nagyok és hangosak, karbantartást és olajat igényelnek, ami tisztatéri vagy steril környezetben nehézséget okoz.

Teljesen nyomás nélküli, motorok nélküli, de kevés energiával működő szivattyúkat és szelepeket fejlesztett ki a Saar-Universität és a Zema (Mechatronika és Automatizálási Technológia Központ) kutatócsoportja: ezek vékony szilikon fóliák segítségével működnek, amelyek elektromos feszültség hatására mozognak. „A technológia költséghatékony az előállítás szempontjából, az alkatrészek könnyűek, ez segít helyet és súlyt megtakarítani. Emellett ezek a szivattyúk és szelepek lényegesen energiatakarékosabbak, mint a mai módszerek” – mondja Paul Motzki. „Egy piaci szokásos nyomásos szeleppel összehasonlítva, amely elektromágneses működtetéssel működik, ugyanaz a szelep a mi hajtásunkkal 400-szor kevesebb energiát fogyaszt” – magyarázza a Saar-Universität okos anyagrendszerekért felelős professzora és a Zema ügyvezetője. Ezek a módszerek nem igényelnek ritka földfémeket vagy rézhez hasonló drága anyagokat. És a kompresszorral működő szivattyúkkal ellentétben a fóliák csendesebbek is.

A kutatók tetszőleges mozgásokat végezhetnek a 50 mikrométer vastag fóliákon. Ehhez mindkét oldalukon elektromosan vezető, nagy nyúlású elektródaréteget nyomtattak. Ha az építők elektromos feszültséget alkalmaznak, a fólia az elektrosztatikus vonzás miatt függőlegesen összenyomódik, és felületén kiterjed. „Ezeket a dielektromos elasztomereket különböző, új típusú hajtásmódok fejlesztésére használjuk, amelyekhez nincs szükség további szenzorokra” – magyarázza Paul Motzki. Az elektromos mező változtatásával a kutatók fokozatmentesen végezhetnek emelőmozgásokat, vagy bármilyen frekvencián és rezgésben vibrálhatnak a fóliák. A fólia akár bármilyen kívánt helyzetet is megtarthat, miközben egyébként nem fogyaszt áramot.

„A fóliák saját szenzoraik is. A dielektromos elasztomerek egyben pozíciószenzorként is működnek” – mondja Paul Motzki. Minden deformáció a fóliánál elektromos kapacitásméréshez rendelhető. A legkisebb mozgás változásokat a mérési értékek mutatják. Ezek alapján a mérési adatokból a mérnökök megállapítják, hogy a fólia mechanikusan el van-e billentve, azaz éppen hogyan deformálódik. Egy szabályozóegységben ezek alapján, mesterséges intelligencia segítségével programozhatók a mozgási folyamatok. A szivattyúkban és szelepekben alkalmazva a fóliák vákuumot hoznak létre a kívánt nyomáson, pontosan adagolnak folyadékokat, vagy fokozatmentesen kapcsolnak.

Ezenkívül a fóliaszivattyúk és szelepek képesek saját állapotukat figyelni, és jelezni, hol van a hiba. A mérési adatok megmutatják, ha valami baj van, például ha nem sikerült megfelelően kialakítani a vákuumot, vagy ha a szelep vagy a szivattyú idegen tárgy miatt el van zárva. Ma, nagy ipari berendezéseknél ez a hibakeresés néha nehézkes lehet.

A kutatócsoport legújabb vákuumszivattyú-prototípusával bemutatja technológiáját a Hannoveri Vásáron: a fóliahajtásuk már akár 300 millibar abszolút nyomást is elér. „A technológia könnyen skálázható. Ehhez a hajtó- és szivattyúkamrákat párhuzamosan vagy sorosan, vagy mindkettőben kapcsoljuk, így növelve a nyomást és a térfogatáramot” – mondja Paul Motzki. A technológia szemléltetéséhez a kutatók egy demonstrátort készítettek: az okos fóliájuk vákuumot hoz létre egy vákuumglockniban. Ez látható egy léggömbön, amely a glasz-üveg gömb belsejében „elfogadja a levegőt” – ahogy a fizikatanfolyamon: mivel a léggömb körüli levegőt elszívják, a léggömbben lévő levegő részecskéi több helyet kapnak a kitáguláshoz – csak itt ez teljesen csendben történik, a hangos kompresszor zajától mentesen.

A kutatók különböző kialakításokban helyezhetik el a szivattyúkat és szelepeket, a technológia tömeggyártásra is alkalmas, és néhány éven belül a katalógusban is elérhető lehet. A Hannoveri Vásáron a kutatók partnereket keresnek az iparból ehhez.

Háttér

A dielektromos elasztomerek technológiáját Stefan Seelecke és Paul Motzki professzorok kutatócsoportjában számos fiatal tudós is vizsgálja több doktori munka keretében. Ez a technológia számos szakfolyóiratban megjelent publikáció tárgya, és több kutatási projekt támogatásával fejlődött ki: többek között az EU Marie Curie kutatói ösztöndíj keretében, a Saar-ország tartományi kormány támogatásával az EFRE-projektekben, mint az iSMAT és Multi-Immerse, valamint a MESaar által támogatott doktori kollégiumban. A kutatócsoport a technológiát számos alkalmazásban használja, többek között szelepek és szivattyúk mellett robotkarokhoz, hangszórókhoz, valamint okos textíliákhoz vagy tapintható visszacsatoláshoz.

A kutatók célja, hogy kutatásuk eredményeit az ipari gyakorlatba átültessék. Ennek érdekében a tanszéki háttérből létrehozták a mateligent GmbH céget, amely a Hannoveri Vásár Saar-standján is képviselteti magát.

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