Hannover Messe: Pompen en ventielen uit dunne folie besparen energie en zijn licht

Met zijn nieuwste vacuüm-pompprototype demonstreert het onderzoeksteam zijn technologie op de Hannover Messe van dit jaar. De ingenieurs trekken daarmee een naadloos vacuüm tot 300 millibar druk. Om de technologie visueel te maken, trekt de folie in een demonstrator een vacuüm in een glazen koepel met een ballon. De promovenda Carmen Perri doet onderzoek naar slimme pompen en kleppen van dunne siliconenfolie. © Oliver Dietze / Het onderzoeksteam toont zijn nieuwste vacuüm-pompprototype op de Hannover Messe van dit jaar. PhD-studente Carmen Perri doet onderzoek naar slimme pompen en kleppen gemaakt van ultradunne siliconenfilm. © Oliver Dietze

Paul Motzki, Professor voor slimme materialsystemen voor innovatieve productie aan de Universiteit van Saarland en directeur van het Centrum voor Mechatronica en Automatiseringstechnologie (ZeMA). © Oliver Dietze / Paul Motzki, Professor van slimme materialsystemen voor innovatieve productie aan de Universiteit van Saarland en directeur van het Centrum voor Mechatronica en Automatiseringstechnologie (ZeMA). © Oliver Dietze

Om de technologie voor de beursbezoekers visueel te maken, hebben de onderzoekers deze demonstrator gebouwd: De slimme folie zuigt hier een vacuüm in een vacuümglock. Dit wordt zichtbaar aan de rode ballon die zich binnenin de glazen koepel zelf "opblaast" – een opstelling zoals in de natuurkundeles: Omdat de lucht rondom de ballon wordt afgezogen, hebben de luchtdeeltjes in de ballon meer ruimte om uit te zetten – alleen gebeurt dit hier helemaal zonder het luide geluid van de persluchtcompressor. © Oliver Dietze

Kompakt, licht, plat en energiezuinig: Een dunne siliconenfolie maakt een nieuwe soort geminiaturiseerde pompen en ventielen mogelijk. Ze werken op kleine ruimte, zonder perslucht, zonder motoren en apparatuur en zonder smeermiddel. Ze zijn geschikt voor cleanrooms en kunnen tijdens het gebruik worden geregeld. Met het prototype van een nieuwe vacuüm pomp toont het team van professoren Stefan Seelecke en Paul Motzki van de Saar-Universiteit hun technologie op de Hannover Messe.

Vacuümverpakkers maken tegenwoordig in veel huishoudens voedsel luchtdicht houdbaar. Maar vacuüm is in veel meer gebieden gefragt: bijvoorbeeld in de remkrachtverdeler van auto's of in medische zuigsystemen in de operatiezaal, in laboratoria zoals farmacie en biotechnologie, en vaak ook in de industrie. Onder vacuüm worden levensmiddelen voorzichtig gedroogd en zuignapgrepen sorteren producten op transportbanden. Om het vacuüm te trekken, dus lucht of vloeistof te verwijderen, wordt tegenwoordig vaak perslucht gebruikt. Hierbij worden pompen ingezet die op de achtergrond worden aangedreven door compressoren of motoren. Deze verbruiken veel energie, de apparaten zijn groot en luidruchtig, vereisen onderhoud en olie, wat in cleanrooms of steriele omgevingen moeilijk is.

Volledig zonder perslucht of motoren, maar met weinig energie, ontwikkelen de onderzoeksgroep van professoren Stefan Seelecke en Paul Motzki aan de Universiteit van Saarland en het Centrum voor Mechatronica en Automatiseringstechniek (Zema): Ze werken met dunne siliconenfolies, waarin alleen door elektrische spanning beweging ontstaat. "De technologie is goedkoop in productie, de onderdelen zijn licht, wat helpt om ruimte en gewicht te besparen. Bovendien zijn deze pompen en ventielen aanzienlijk energie-efficiënter dan de huidige methoden," zegt Paul Motzki. "In vergelijking met een marktconventioneel procesventiel voor perslucht, dat wordt bediend met een elektromagneet, verbruikt hetzelfde ventiel met onze aandrijving 400 keer minder energie," legt de professor voor slimme materiaalsystemen voor innovatieve productie aan de Universiteit van Saarland en Zema-directeur uit. Ook komen deze methoden zonder moeilijk verkrijgbare of dure materialen zoals zeldzame aardmetalen of koper. En in tegenstelling tot door compressoren aangedreven pompen zijn de folie-varianten bovendien aangenaam stil.

De onderzoekers kunnen de 50 micrometer dunne folies naar wens bewegen. Hiervoor zijn ze aan beide zijden bedrukt met een elektrisch geleidende, hoogrekbare elektrodelaag. Leggen de ingenieurs hier een elektrische spanning op, drukt de folie zich door elektrostatische aantrekking verticaal samen en rekt zich uit in het oppervlak. "Met deze zogenaamde dielectrische elastomeren ontwikkelen we verschillende nieuwe aandrijvingen die geen extra sensoren nodig hebben," legt Paul Motzki uit. Door het elektrische veld te veranderen, kunnen de onderzoekers de folies traploos laten bewegen of ze laten vibreren met elke gewenste frequentie en amplitude. De folie kan ook elke gewenste positie vasthouden, terwijl ze verder geen stroom verbruikt.

"De folies zijn zelf hun eigen sensor. De functie van een positietsensor wordt meteen door de dielectrische elastomeren geleverd," zegt Paul Motzki. Elke vervorming van de folie kan worden toegewezen aan een elektrische capaciteit. Bij de kleinste beweging veranderen de waarden. Aan de hand van de meetwaarden herkennen de ingenieurs hoe de folie mechanisch is uitgerekt, dus hoe ze zich net vervormt. In een regelmodule kunnen ze op basis van deze meetwaarden met behulp van kunstmatige intelligentie bewegingspatronen programmeren. Als aandrijving in bijbehorende apparaten trekken en laten de folies in motorloze pompen een vacuüm met de gewenste druk, doseren ze vloeistoffen precies of fungeren ze als traploze schakelaars.

Bovendien kunnen de foliepompen en -ventielen hun eigen toestand bewaken en aangeven waar de fout ligt. De meetwaarden vertellen wanneer er iets misgaat, bijvoorbeeld als het vacuüm niet goed wordt getrokken of als ventiel of pomp wordt geblokkeerd door een vreemd voorwerp. Als dat vandaag de dag gebeurt in grote industriële installaties, kan het opsporen van fouten soms ingewikkeld zijn.

Met haar nieuwste prototype van vacuüm pompen demonstreert het onderzoeksteam haar technologie op de Hannover Messe van dit jaar: haar folie-aandrijving bereikt al tot 300 millibar absolute druk. "De technologie is eenvoudig schaalbaar. Hiervoor schakelen we onze actuatoren en pompkamers of parallel of in serie of beide tegelijk, zodat we druk en volumestroom kunnen vergroten," zegt Paul Motzki. Om de technologie voor bezoekers van de beurs inzichtelijk te maken, hebben de onderzoekers een demonstrator gebouwd: hun slimme folie trekt hier een vacuüm in een vacuümglock. Dit wordt zichtbaar aan een ballon die zich binnenin de glazen bol "opblaast" – een opstelling zoals in de natuurkundeles: doordat de lucht rondom de ballon wordt afgezogen, krijgen de luchtdeeltjes in de ballon meer ruimte om uit te zetten – alleen gebeurt dit hier zonder het lawaaierige geluid van een persluchtcompressor.

De onderzoekers kunnen hun pomp- en ventieltechnologie in verschillende bouwvormen onderbrengen, ze is geschikt voor massaproductie en kan binnen enkele jaren worden ontwikkeld tot standaardproducten. Op de Hannover Messe zoeken de onderzoekers hiervoor partners uit de industrie.

Achtergrond

In het team van professoren Stefan Seelecke en Paul Motzki werken ook veel jonge wetenschappers aan de technologie van dielectrische elastomeren, onder meer in het kader van meerdere doctoraatsprojecten. Het is onderwerp van talrijke publicaties in vakbladen en werd in verschillende onderzoeksprojecten gefinancierd: onder andere door de EU via een Marie-Curie Research Fellowship, door de deelstaat Saarland via de EFRE-projecten iSMAT en Multi-Immerse, en onder andere door de MESaar via een promotiecollege. Het onderzoeksteam gebruikt de technologie voor diverse toepassingen, naast ventielen en pompen ook bijvoorbeeld voor robotgrijpers, luidsprekers, maar ook voor slimme textiel en haptische feedback.

De onderzoekers willen de resultaten van hun praktijkgerichte onderzoek in de industrie brengen. Hiertoe hebben ze vanuit de faculteit het bedrijf mateligent GmbH opgericht, dat ook op de Saarland-stand van de Hannover Messe zal staan.

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