В Сааре, Германия, создаются миниатюрные насосы и клапаны, работающие на основе движения диэлектрических эластомерных силиконовых пленок. Эти устройства не только легкие, компактные и энергоэффективные, но и работают без необходимости в сжатом воздухе, двигателях или смазочных материалах.
Они совместимы с чистыми помещениями и могут непрерывно контролироваться во время работы. Исследовательская группа под руководством профессоров Штефана Зелеке и Пола Моцки из Саарского университета представит прототип вакуумного насоса на основе пленки на Ганноверской ярмарке этого года с 31 марта по 4 апреля.
Их легкая, низкоэнергетическая технология способна понизить вакуум до давления 300 миллибар (30% от стандартного атмосферного давления).
Вакуумная технология распространена повсеместно: от домашних вакуумных упаковщиков, используемых для более длительного сохранения свежести продуктов, до усилителей тормозов, используемых в автомобилях.
Вакуумные системы имеют решающее значение в медицинской сфере (хирургические системы отсасывания), в фармацевтической, биотехнологической и пищевой промышленности (сублимационная сушка, дистилляция и т. д.) и в промышленной переработке (роботизированные захваты, сортирующие продукты на конвейерных лентах).
Создание вакуума обычно требует использования вакуумного насоса с приводом от двигателя. Но помимо того, что эти насосы потребляют много энергии, они часто громоздки и шумны, а также требуют обслуживания и смазки, что часто бывает затруднительно в чистых помещениях или стерильных условиях.
Насосы и клапаны, разрабатываемые исследовательской группой под руководством профессоров Стефана Зелеке и Пола Моцки из Саарландского университета и Центра мехатроники и технологий автоматизации (ZeMA), работают полностью без внешних двигателей и потребляют мало энергии в процессе.
В основе этих устройств лежат тонкие силиконовые пленки, которые можно перемещать, просто прикладывая небольшое электрическое напряжение.
«Наша технология рентабельна в производстве. А поскольку компоненты легкие, мы экономим пространство и вес, а это значит, что насосы и клапаны, которые мы разрабатываем, гораздо более энергоэффективны, чем эквивалентные устройства, использующие традиционные технологии.
По сравнению с имеющимся в продаже пневматическим соленоидным клапаном, т. е. клапаном, приводимым в действие электромагнитом, мы можем приводить в действие тот же клапан, используя в 400 раз меньше энергии», — объясняет Пол Моцки, профессор систем интеллектуальных материалов для инновационного производства в Университете Саара и научный директор/генеральный директор ZeMA gGmbH.
И технология Саарбрюккена может быть изготовлена без необходимости использования дорогих или труднодоступных материалов, таких как медь или редкоземельные элементы.
Еще одним преимуществом является снижение шума , поскольку насосы на основе пленки значительно тише, чем обычные насосы с компрессорным приводом.
Сама силиконовая пленка имеет толщину всего около одной двадцатой миллиметра, и исследователи могут очень точно контролировать движения этих сверхтонких пленок.
Это происходит потому, что очень гибкий электропроводящий слой печатается на каждой стороне пленки, чтобы создать то, что известно как диэлектрический эластомер. Если инженеры подадут напряжение на эластомерную пленку, то проводящие слои притянутся друг к другу, сжимая полимер и заставляя его расширяться в стороны, тем самым увеличивая его площадь поверхности.
«Мы используем эти диэлектрические эластомеры для разработки новых систем привода, которые не нужно оснащать дополнительными датчиками», — объясняет Пол Моцки.
Изменяя приложенное электрическое поле, исследователи могут заставить эластомерную пленку совершать непрерывно изменяющиеся изгибающие движения или заставить ее колебаться или изгибаться с некоторой требуемой частотой.
Или они могут удерживать пленку в определенном фиксированном положении, не требуя непрерывной подачи энергии. «Эти диэлектрические эластомерные пленки обладают способностью самоопределения и способны действовать как собственные датчики положения», — говорит Моцки.
Каждой деформации или изменению положения пленки можно присвоить точное значение электрической емкости.
Даже малейшее движение пленки приводит к изменению емкости. Используя эти значения емкости, инженеры могут точно количественно оценить пространственную деформацию пленки. Объединив данные о емкости и машинное обучение на основе ИИ, команда разработала блок управления , который может предсказывать и программировать последовательности движения и, таким образом, точно контролировать, как деформируется эластомерная пленка.
Включая эти диэлектрические эластомерные приводы в соответствующим образом спроектированное оборудование, исследовательская группа может создавать безмоторные насосы, которые могут создавать вакуум, клапаны, которые могут подавать точное количество жидкости, или компоненты, которые могут действовать как бесступенчатые переключатели.
Данные о емкости также показывают, что что-то не функционирует должным образом, например, если вакуум слишком мал или если инородное тело блокирует клапан или насос.
Эти насосы и клапаны на основе пленки являются самоопределяющимися, что означает, что они могут выполнять собственный мониторинг состояния и сообщать о том, где находится проблема.
Когда возникают проблемы с обычными насосами и клапанами на крупных промышленных предприятиях, устранение неисправностей часто значительно усложняется.
Команда Саарбрюккена принимает участие в Ганноверской ярмарке этого года, где продемонстрирует новейший прототип своего вакуумного насоса на основе пленки, способного создавать вакуум в 300 миллибар (около 30% от стандартного атмосферного давления).
«Наша технология масштабируема. Мы можем увеличить давление и объемный расход, соединив наши приводы и насосные камеры параллельно, последовательно или комбинируя оба варианта», — говорит профессор Моцки.
Чтобы помочь посетителям выставки наглядно представить себе лежащую в основе технологию, исследовательская группа построила демонстрационную модель, в которой диэлектрическая эластомерная пленка создает вакуум внутри колпака.
По мере того, как давление в колбе падает, посетители могут наблюдать, как шар «раздувается» в размерах — экспериментальная демонстрация, которую многие, возможно, помнят по школьным урокам физики.
По мере того, как воздух высасывается из окружающего шара, молекулы воздуха в шаре получают больше места для расширения, и шар увеличивается в размерах — за исключением того, что в этом случае все это происходит без громко работающего на заднем плане компрессора.
Инженеры из Саарбрюккена могут внедрять технологию насосов и клапанов в широкий спектр конструкций оборудования. Технология надежна и подходит для массового производства, и может быть разработана для выпуска товарной продукции в течение нескольких лет.
На Ганноверской ярмарке команда будет искать заинтересованные коммерческие партнеры.
Рубрика: Технологии. Читать весь текст на android-robot.com.