Hannover Messe: Pompe e valvole da pellicola sottile risparmiano energia e sono leggere

Con il suo ultimo prototipo di pompa del vuoto, il team di ricerca dimostra la sua tecnologia alla fiera di Hannover di quest'anno. Gli ingegneri creano un vuoto senza gradini fino a 300 millibar di pressione. Per rendere visibile la tecnologia, il film in un dimostratore crea un vuoto in una campana di vetro con un palloncino. La dottoranda Carmen Perri collabora alla ricerca delle pompe intelligenti e delle valvole realizzate con sottili pellicole di silicone. © Oliver Dietze / Il team di ricerca presenta il suo ultimo prototipo di pompa del vuoto alla fiera di Hannover di quest'anno. La dottoranda Carmen Perri conduce ricerche su pompe e valvole intelligenti realizzate con film di silicone ultrafini. © Oliver Dietze

Paul Motzki, Professore di sistemi di materiali intelligenti per la produzione innovativa dell'Università del Saarland e Amministratore Delegato del Centro per la Meccatronica e la Tecnologia dell'Automazione (ZeMA). © Oliver Dietze / Paul Motzki, Professore di sistemi di materiali intelligenti per la produzione innovativa all'Università del Saarland e Amministratore Delegato del Centro per la Meccatronica e la Tecnologia dell'Automazione (ZeMA). © Oliver Dietze

Per rendere la tecnologia visibile ai visitatori della fiera, i ricercatori hanno costruito questo dimostratore: la pellicola intelligente crea un vuoto in una campana sottovuoto. Ciò diventa visibile grazie al palloncino rosso, che si "gonfia" all'interno della campana di vetro — una disposizione simile a quella delle lezioni di fisica: poiché l'aria intorno al palloncino viene aspirata, le particelle d'aria all'interno del palloncino hanno più spazio per espandersi — solo che tutto ciò avviene senza il rumoroso sottofondo del compressore d'aria. © Oliver Dietze

Compatti, leggero, sottile ed energeticamente efficiente: una pellicola di silicone sottile rende possibile un nuovo tipo di pompe e valvole miniaturizzate. Funzionano in spazi ridotti, senza aria compressa, senza motori e apparecchiature e senza lubrificanti. Sono adatte per ambienti sterili e possono essere regolate durante il funzionamento. Con il prototipo di una nuova pompa a vuoto, il team dei professori Stefan Seelecke e Paul Motzki dell'Università di Saar mostra la sua tecnologia alla Hannover Messe.

Gli imballatori a vuoto rendono oggi molti alimenti a prova di aria in molte famiglie. Ma il vuoto è richiesto in molti altri settori: sia nel servosterzo delle auto o nei sistemi di aspirazione medica in sala operatoria, nei laboratori come quelli di farmacia e biotecnologia e spesso anche nell'industria. Sotto vuoto, gli alimenti vengono essiccati delicatamente e i ganci di aspirazione ordinano i prodotti sui nastri trasportatori. Per creare il vuoto, cioè rimuovere aria o liquidi, oggi spesso si utilizza aria compressa. A tal fine vengono impiegate pompe che sono alimentate da compressori o motori in background. Questi consumano molta energia, gli apparecchi sono grandi e rumorosi, richiedono manutenzione e olio, il che è difficile in ambienti puliti o sterili.

Completamente senza aria compressa o motori, ma con poca energia, sono le pompe e le valvole sviluppate dal team di ricerca dei professori Stefan Seelecke e Paul Motzki dell'Università di Saar e del Centro di Meccatronica e Automazione (Zema): funzionano con sottili pellicole di silicone, in cui il movimento avviene esclusivamente grazie a tensione elettrica. "La tecnologia è economica da produrre, i componenti sono leggeri, il che aiuta a risparmiare spazio e peso. Inoltre, queste pompe e valvole sono molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle tecnologie attuali", afferma Paul Motzki. "Rispetto a una valvola di processo commerciale per aria compressa, alimentata da un elettromagnete, la stessa valvola con il nostro azionamento consuma 400 volte meno energia", spiega il professore di sistemi di materiali intelligenti per produzioni innovative dell'Università di Saar e amministratore delegato di Zema. Questi metodi non richiedono materiali rari o costosi come terre rare o rame. E, a differenza delle pompe alimentate da compressori, i dispositivi a pellicola sono anche molto silenziosi.

Gli scienziati possono far compiere alle pellicole di 50 micrometri di spessore i movimenti desiderati. A tal fine, sono stampate su entrambi i lati con uno strato di elettrodi conduttivi ad alta deformabilità. Quando gli ingegneri applicano una tensione elettrica, la pellicola si comprime verticalmente a causa dell'attrazione elettrostatica e si espande sulla superficie. "Con questi cosiddetti elastomeri dielettrici sviluppiamo diversi nuovi attuatori che non richiedono sensori aggiuntivi", spiega Paul Motzki. Modificando il campo elettrico, i ricercatori possono far muovere le pellicole senza soluzione di continuità o farle vibrare a qualsiasi frequenza e oscillazione. La pellicola può anche mantenere qualsiasi posizione desiderata, senza consumare corrente.

"Le pellicole sono il proprio sensore. La funzione di un sensore di posizione è fornita dagli elastomeri dielettrici stessi", dice Paul Motzki. Ogni deformazione della pellicola può essere associata a un valore di capacità elettrica. Anche con il minimo movimento, i valori cambiano. In base a questi valori, gli ingegneri riconoscono come la pellicola è meccanicamente deviata, cioè come si deforma. In un'unità di controllo, possono programmare movimenti utilizzando intelligenza artificiale. Impiegate come attuatore in apparecchiature corrispondenti, le pellicole creano un vuoto con pressione desiderata in pompe senza motore, dosano liquidi con precisione come valvole o fungono da interruttori a regolazione continua.

Inoltre, le pellicole pompe e valvole possono monitorare il proprio stato e segnalare eventuali guasti. I valori di misura indicano se qualcosa non funziona, ad esempio se il vuoto non è stato correttamente generato o se la valvola o la pompa sono bloccate da un corpo estraneo. Se ciò accade oggi in grandi impianti industriali, la ricerca di guasti può essere complicata.

Con il suo più recente prototipo di pompa a vuoto, il team di ricerca dimostra la sua tecnologia alla Hannover Messe di quest'anno: già raggiunge una pressione assoluta fino a 300 millibar. "La tecnologia può essere facilmente scalata. Per farlo, colleghiamo i nostri attuatori e le camere delle pompe in parallelo o in serie, o entrambi, e così aumentiamo pressione e portata", afferma Paul Motzki. Per rendere la tecnologia visibile ai visitatori della fiera, gli scienziati hanno costruito un dimostratore: la loro pellicola intelligente crea un vuoto in una camera a vuoto. Questo si vede su un palloncino che si "gonfia" all’interno di una campana di vetro: come nel laboratorio di fisica, poiché l’aria intorno al palloncino viene aspirata, le particelle di aria nel palloncino hanno più spazio per espandersi — solo che qui tutto avviene senza il rumoroso compressore di aria compressa.

Gli scienziati possono integrare la loro tecnologia di pompe e valvole in varie forme di costruzione, è adatta alla produzione di massa e può essere ulteriormente sviluppata in pochi anni come prodotto di catalogo. Alla Hannover Messe, gli scienziati cercano partner commerciali per questo scopo.

Contesto

Nel team di ricerca dei professori Stefan Seelecke e Paul Motzki, molti giovani ricercatori stanno studiando anche le tecnologie degli elastomeri dielettrici, attraverso numerose tesi di dottorato. La tecnologia è oggetto di numerose pubblicazioni su riviste specializzate ed è stata finanziata in diversi progetti di ricerca: tra cui l’UE nell’ambito di una Marie-Curie Research Fellowship, il governo del Saarland nell’ambito dei progetti EFRE iSMAT e Multi-Immerse, e anche attraverso MESaar nell’ambito di un collegio di dottorato. Il team di ricerca utilizza questa tecnologia per molte applicazioni, oltre alle valvole e alle pompe, anche per prese robotiche, altoparlanti, ma anche per tessuti intelligenti o feedback aptico.

I ricercatori vogliono portare i risultati della loro ricerca applicata nel settore industriale. Per questo, hanno fondato la società mateligent GmbH, che sarà presente anche allo stand del Saarland alla Hannover Messe.

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