Ersatz für „ausgefallene Organe“
Von Simona Babonea
Neue Materialien werden in der modernen Medizin gefragt, die Körperteile wie Gelenke, Knochen, Sehnen ersetzen können. Eine Eigenschaft müssen sie noch haben: Die elektrische Energie sollte sich in mechanische Dehnung umwandeln lassen. Die Antwort sehen die Chemiker in Dielektrischen Elastomer-Aktoren.
„Künstliche Muskeln“ nennen die Laien diese Materialien, weil sie für die Konstruktion von Prothesen verwendet werden sollen. Sie sind eine besondere Gruppe der Elektroaktive Polymere (EAP), die sich durch hohe Dehnungen (über 300 %), schnelle Responsezeiten (> 1 KHz) und hohe Effizienz auszeichnen. Geringes Gewicht, günstige Herstellungskosten und geringe mechanische Komplexität sind weitere Eigenschaften, worum die Wissenschaftler sie als Smart Materials betrachten. Den Einsatz als Sensoren, Aktoren oder Generatoren in Automobilbau, Robotik, Optik bis hin zur Medizintechnik warten auf sie.
Der Wirkprinzip von Dielektrische Elastomer-Aktoren(DEA)
DEA funktioniert wie ein elektrostatischer Kondensator. Man braucht dafür :
- Eine dünne Elastomerfolie (ca.100 µm)
- mit flexiblen Elektroden beschichtet.
- Eine Spannung U wird angelegt.
Wegen der Coulomb-Kräfte entsteht das Folgende
1. Kompression der Foliendicke
2. Ausdehnung der Folienfläche (bis ca. 100 %)
Nachdem die elektrischen Ladungen abgeflossen sind, nimmt der Aktor wieder seine ursprüngliche Form an.
NeueTechnologie
Erste Experimente mit polymerbasierten Aktoren oder Aktuatoren wurden bereits in den 50er Jahren durchgeführt. Der starke piezoelektrische Effekt von Polyvinilydenfluorid (PVDF) wurde in 1969 entdeckt. Seitdem wird PVDF für Nischenanwendungen in der Sensorik, besonders für Ultraschallsensoren, vermarktet.
Seit Ende der 90er Jahren werden Dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA) erforscht. Man entdeckte, dass sich durch eine Vordehnung der Materialien die Längenänderung der Aktoren bei Anlegen einer Spannung um mehrere 100 % erhöhen lässt. Laut VDI Technologiezentrum GmbH Düsseldorf gelang es den Einsatz maßgeschneiderter Materialien, die Lebensdauer von EAPs deutlich zu verbessern. Diese sei der Grund, warum in den USA zu einem verstärkten Interesse der Industrie an dieser Materialklasse geführt hat.
Laut Schweizer-Forscher, die ersten kommerziellen Produkte sind Kameralinsen in Handys. Warum haben sie nicht mehrere Anwendungen, wenn der Durchbruch in DEA-Forschung vor zwanzig Jahre statt fand? Was steht diesen im Wege? Die hohe erforderliche Aktivierungsspannung ist der Nachteil. Gute Langzeiteigenschaften, die für viele technische Anwendungen unabdingbar sind, fehlen noch. Für die Auslegung und die Optimierung solcher Aktoren sind Modelle und Simulationstechniken erforderlich, welche mechanische Spannungs- und Dehnungszustände in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung beschreiben. Dabei muss verschiedene Aspekte zu berücksichtigen: Das konstitutive Modell des Elastomers, die elektromechanische Kopplung, numerische Implementierung der Modelle und ihre experimentelle Verifizierung. Durch eine erhöhte Dielektrizitätskonstante und dünnere Filme des verwendeten dielektrischen Materials kann die erforderliche Aktivierungsspannung deutlich abgesenkt werden.
In Deutschland gibt es bislang nur eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern, die sich diesem Thema angenommen hat, damit die wirtschaftliche Nutzung von DEA beschleunigt wird. Arbeitskreise an der TU Dresden, der TU Darmstadt, der Universität Freiburg und an verschiedenen Fraunhofer-Instituten zählen dazu. (z.B. ISC Würzburg mit dem neuen CeSMa – Center Smart Materials – oder IAP Potsdam)
Die Polymeraktutorik ist derzeit stark von amerikanischen und japanischen Aktivitäten dominiert. Weil das Gebiet doch etwa neu ist, bestehen für Deutschland gute Chancen, wichtige Patentpositionen zu besetzen.
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