Hannover Messe: Pompy i zawory z cienkiej folii oszczędzają energię i są lekkie

Ze swoim najnowszym prototypem pompy próżniowej zespół badawczy demonstruje swoją technologię na tegorocznej Hannover Messe. Inżynierowie uzyskują bezstopniowo próżnię do 300 milibarów ciśnienia. Aby zobrazować technologię, folia w demonstratorze tworzy próżnię w szklanej kuli z balonem. Doktorantka Carmen Perri prowadzi badania nad inteligentnymi pompami i zaworami wykonanymi z cienkiej folii silikonowej. © Oliver Dietze / Zespół badawczy prezentuje swój najnowszy prototyp pompy próżniowej na tegorocznej Hannover Messe. Doktorantka Carmen Perri prowadzi badania nad inteligentnymi pompami i zaworami wykonanymi z ultracienkiej folii silikonowej. © Oliver Dietze

Paul Motzki, profesor systemów materiałów inteligentnych dla innowacyjnej produkcji na Uniwersytecie Saarlandu oraz dyrektor zarządzający Centrum Mechatroniki i Automatyki (ZeMA). © Oliver Dietze / Paul Motzki, profesor systemów materiałów inteligentnych dla innowacyjnej produkcji na Uniwersytecie Saarlandu oraz dyrektor zarządzający Centrum Mechatroniki i Automatyki (ZeMA). © Oliver Dietze

Aby wizualnie przedstawić technologię dla odwiedzających targi, naukowcy zbudowali ten demonstrator: inteligentna folia zasysa tutaj próżnię w komorze próżniowej. Widać to na czerwonym baloniku, który „nadmuchuje się” wewnątrz szklanej kuli — układ przypominający lekcję fizyki: ponieważ powietrze wokół balonika jest odsysane, cząsteczki powietrza w baloniku mają więcej miejsca na rozprężanie się — tylko że tutaj odbywa się to zupełnie bez hałaśliwego dźwięku sprężarki powietrza. © Oliver Dietze

Kompaktowe, lekkie, płaskie i energooszczędne: Cienka folia silikonowa umożliwia nowy rodzaj miniaturowych pomp i zaworów. Działają na małej przestrzeni, bez sprężonego powietrza, bez silników i urządzeń oraz bez smarowania. Są odpowiednie do pomieszczeń czystych i można je regulować podczas pracy. Z prototypem nowatorskiej pompy próżniowej zespół profesorów Stefana Seelecke i Paula Motzkiego z Uniwersytetu Saary prezentuje swoją technologię na targach Hannover Messe.

Uszczelniacze próżniowe dziś w wielu gospodarstwach domowych zapewniają szczelne przechowywanie żywności. Ale próżnia jest potrzebna w znacznie większej liczbie dziedzin: czy to w wspomagaczach hamulców samochodowych, czy w medycznych systemach odsysania w salach operacyjnych, w laboratoriach farmaceutycznych i biotechnologicznych, a także często w przemyśle. Pod próżnią żywność jest delikatnie suszona, a chwytaki ssące sortują produkty na taśmach transportowych. Aby wyciągnąć próżnię, czyli usunąć powietrze lub ciecz, często używa się sprężonego powietrza. W tym celu stosuje się pompy, które są napędzane przez sprężarki lub silniki w tle. Zużywają one dużo energii, urządzenia są duże i hałaśliwe, wymagają konserwacji i oleju, co jest trudne w pomieszczeniach czystych lub sterylnych.

Całkowicie bez sprężonego powietrza i silników, za to z niewielkim zużyciem energii, działają pompy i zawory opracowane przez zespół badawczy profesorów Stefana Seelecke i Paula Motzkiego na Uniwersytecie Saary i w Centrum Mechatroniki i Automatyzacji (Zema): Działają na cienkich foliach silikonowych, w które za pomocą napięcia elektrycznego wywołuje się ruch. „Technologia jest tania w produkcji, elementy są lekkie, co pomaga zaoszczędzić miejsce i wagę. Ponadto te pompy i zawory są znacznie bardziej energooszczędne niż obecne rozwiązania” – mówi Paul Motzki. „W porównaniu do typowego zaworu procesowego dla sprężonego powietrza, który jest napędzany elektromagnesem, ten sam zawór z naszym napędem zużywa 400 razy mniej energii” – wyjaśnia profesor od systemów materiałów inteligentnych do innowacyjnej produkcji na Uniwersytecie Saary i dyrektor Zema. Metody te nie wymagają też drogich lub trudno dostępnych materiałów, takich jak rzadkie ziemie czy miedź. W przeciwieństwie do pomp napędzanych sprężarkami, folie są także ciche w użytkowaniu.

Naukowcy mogą dowolnie wykonywać ruchy na foliach o grubości 50 mikrometrów. Są one pokryte dwustronnie przewodzącą, wysokodrgającą warstwą elektrodową. Gdy inżynierowie przyłożą napięcie elektryczne, folia kurczy się pionowo z powodu przyciągania elektrostatycznego i rozciąga się na powierzchni. „Dzięki tzw. dielektrycznym elastomerom rozwijamy różne nowatorskie napędy, które nie potrzebują dodatkowych czujników” – wyjaśnia Paul Motzki. Zmieniając pole elektryczne, naukowcy mogą wykonywać stopniowe ruchy podnoszenia lub wibrować z dowolną częstotliwością i amplitudą. Folia może także utrzymywać dowolne położenie, nie zużywając przy tym prądu.

„Folie są własnym czujnikiem. Funkcję czujnika położenia zapewniają dielektryczne elastomery” – mówi Paul Motzki. Każde odkształcenie folii można przypisać wartości pomiarowej pojemności elektrycznej. Przy najmniejszym ruchu wartości te się zmieniają. Na podstawie tych pomiarów inżynierowie rozpoznają, jak mechanicznie jest odchylona folia, czyli jak się akurat odkształca. W układzie sterowania mogą na podstawie tych danych, korzystając z sztucznej inteligencji, programować przebieg ruchu. Używane jako napęd w odpowiednich urządzeniach, folie tworzą w pompowarkach bezsilnikowych próżnię o pożądanym ciśnieniu, dokładnie dozują płyny lub działają jako bezstopniowe przełączniki.

Co więcej, folie-pompy i zawory mogą monitorować własny stan i sygnalizować, gdzie jest usterka. Wartości pomiarowe wskazują, gdy coś idzie nie tak, np. gdy próżnia nie zostanie poprawnie wyciągnięta albo zawór lub pompa zostaną zablokowane przez obcy obiekt. W przypadku dużych zakładów przemysłowych wykrycie takiej usterki może być czasochłonne i skomplikowane.

Na najnowszym prototypie pompy próżniowej zespół badawczy demonstruje swoją technologię na tegorocznych targach Hannover Messe: Folia napędowa już osiąga ciśnienie absolutne do 300 mbar. „Technologia ta jest łatwa do skalowania. W tym celu łączymy nasze aktuatory i komory pompowe równolegle, szeregowo lub jednocześnie, co pozwala zwiększyć ciśnienie i przepływ objętościowy” – mówi Paul Motzki. Aby zobrazować technologię uczestnikom targów, naukowcy zbudowali demonstrator: ich inteligentna folia zasysa próżnię w komorze próżniowej. Widać to na balonie, który „nadmuchuje się” wewnątrz szklanej kuli – podobnie jak w lekcji fizyki: gdy powietrze wokół balona jest odsysane, cząsteczki powietrza w balonie mają więcej miejsca, aby się rozprężyć – tylko że tutaj odbywa się to bez hałaśliwego kompresora sprężonego powietrza.

Naukowcy mogą umieścić swoją technologię pomp i zaworów w różnych konstrukcjach, jest ona masowo produkcyjna i może w ciągu kilku lat stać się standardowym elementem katalogowym. Na targach Hannover Messe poszukują partnerów z przemysłu do dalszego rozwoju tej technologii.

Tło

W zespole profesorów Stefana Seelecke i Paula Motzkiego, oprócz wielu młodych naukowców, prowadzone są badania nad technologią dielektrycznych elastomerów w ramach kilku doktoratów. Jest ona tematem licznych publikacji w czasopismach branżowych i była finansowana w ramach kilku projektów badawczych: m.in. przez UE w ramach stypendium Marie-Curie Research Fellowship, przez land saaryjski w ramach projektów EFRE i Multi-Immerse, a także przez MESaar w ramach kolegium doktoranckiego. Zespół badawczy wykorzystuje tę technologię do różnych zastosowań, oprócz zaworów i pomp także do chwytaków robotycznych, głośników, a także w smart tekstyliach czy w haptycznym sprzężeniu zwrotnym.

Naukowcy chcą przenieść wyniki swoich praktycznych badań do przemysłu. W tym celu założyli z wydziałem firmę mateligent GmbH, która będzie reprezentowana także na stoisku Saarlandu na Hannover Messe.

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