Fluidtechnik

Selbstdosierende Ventile aus Silikonfolie

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Philipp Linnebach (l.) und Steffen Hau (r.) mit Prototypen einer motorlosen Pumpe (Mitte) und eines smarten Ventils (vorne rechts) (Bild: Oliver Dietze)
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Ingenieure steuern Ventile und Pumpen aus Silikonfolie präzise elektrisch an und erhalten gleichzeitig Rückmeldung über die Bewegung der Folie. Dadurch können sie den Ventildurchfluss stufenlos regeln oder die Pumpleistung variieren.

Fallen in großen Industrieanlagen kleine Ventile oder Pumpen aus, wird es für den Reparaturdienst schwierig. Bis der Fehler gefunden ist, kann einige Zeit ins Land gehen. Erst recht, wenn der Fehler sich erst spät auswirkt oder der Schaden sich in der Anlage weiterfrisst. Hat sich etwa ein Fremdkörper im Ventil verklemmt und schließt es nicht mehr richtig, kann es dauern, bis sich das Malheur zeigt.

Folienpumpen melden Zustand und Funktion

Anders ist das bei den neuartigen Pumpen und Ventilen, die Prof. Stefan Seelecke und seine Forschergruppe von der Universität des Saarlandes entwickelt haben: „Sie können ihren Zustand und ihre Funktion rückmelden. So kann das Ventil Feedback geben, ob es offen, geschlossen und auch, wie weit genau es geöffnet ist. Auch wenn ein Fremdkörper es nicht mehr schließen lässt, gibt es dies weiter“, erklärt Seelecke.

Die Ventile und Pumpen bestehen aus dünner Silikonfolie, die beidseitig mit elektrisch leitfähigem Material bedruckt ist. Die Wissenschaftler sprechen dabei von dielektrischen Elastomeren: „Legen wir eine elektrische Spannung an, bewirkt die elektrostatische Anziehung, dass die Folie sich in Dickenrichtung zusammenzieht und sich in der Fläche ausdehnt“, sagt Steffen Hau, promovierter Ingenieur in Seeleckes Team. Indem sie das elektrische Feld verändern, können die Ingenieure die Folie hochfrequent vibrieren oder stufenlose Hub-Bewegungen vollführen lassen. Sie kann auch jede gewünschte Stellung halten. „Das macht die Folie zu einem neuartigen Antrieb“, erklärt Hau.

Leise Pumpen ohne Motor

Mit einer Steuerung über Algorithmen im Hintergrund entwickeln die Forscher selbstregelnde Ventile und motorlose Pumpen. „Für unsere Pumpen etwa brauchen wir keine beweglichen Teile. Sie kommen ohne einen Motor aus, der rotiert. Das macht sie kompakt, flach und sehr energieeffizient“, erklärt Hau. „Außerdem kann der Volumenstrom der Pumpe über die angelegte Spannungsamplitude und nicht nur wie üblich über die Frequenz geregelt werden“, ergänzt er. Dadurch können sehr leise Pumpen hergestellt werden.

„Die Folie und damit auch das jeweilige Bauteil haben selbst die Funktion eines Positions-Sensors“, sagt Doktorand Philipp Linnebach. Jede Verformung der Folie lässt sich präzise einem Messwert der elektrischen Kapazität zuordnen. „Messen wir die elektrische Kapazität, wissen wir genau, welche mechanische Auslenkung die Folie gerade angenommen hat“, erklärt Linnebach. In einer Regelungseinheit können die Bewegungsabläufe dadurch genau berechnet und programmiert werden. Und so kann auch das Folienventil Druckluft oder Flüssigkeiten exakt nach Bedarf dosieren.

Technik lässt sich an Bauform anpassen

Die Folie an sich ist ein flaches Bauteil. „Wir haben die Technik aber so weiterentwickelt, dass wir sie in die gewünschte Bauform bringen können“, sagt Steffen Hau. Die Technologie ist kostengünstig in der Herstellung, und die Bauteile sind leicht. Außerdem verbrauchen sie nur wenig Energie – sie sind hundertfach energieeffizienter als übliche Verfahren. Im Vergleich zu Magnet-Ventilen etwa hat das Folienventil einen bis zu 400-mal geringeren Energieverbrauch.

Ihre Technologie zeigt die Forschergruppe seit dem 1. April auf der Hannover Messe: am saarländischen Forschungsstand in Halle 2, an Stand B46.

www.imsl.uni-saarland.de

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