Neuartiger Silikon Aktuator für ergonomische Bedienelemente

Die Bedienung von Fahrzeugen und die Steuerung von automatisierten Prozessen wird immer komplexer und vielfältiger. Produkte hierfür müssen mehrere Funktionen gleichzeitig wahrnehmen, sich optimal an den Bauraum anpassen und Downsizing ermöglichen. Mit der neuartigen Silikon Aktuator Technologie wird die Sateco Gruppe genau diesen Anforderungen gerecht.

Inhalt der Titelstory

• Der Silikon Aktuator als künstlicher Muskel
  • Technische Merkmale und Funktionsweise
  • Vergleich mit Piezoelektrischem Element und Hubmagnet
  • Designmöglichkeiten und Anwendernutzen
• Anwendungsbeispiele für den Silikonaktor
  • Automobil: Türbedieneinheit mit integrierter Haptik
  • Medizintechnik: Energieeffizientes Hantieren von Flüssigkeiten
• Erste Generation für Prototypen
• Zweite Generation mit elektrischer Versorgung
  • Pionierleistung in der Industrialisierung
    
    

Sateco möchte nun den neuartigen Aktor bzw. Aktuator aus dem Labor in den Markt bringen und ihn dafür industrialisieren. Das Silikon Aktuator SXTA kann basierend auf seinem Wirkprinzip und Herstellverfahren die am Markt geforderte Funktionsdichte erhöhen und bietet neuartige Lösungsansätze zu kosteneffizienten Bedingungen.

Der Silikon Aktuator als künstlicher Muskel

Der SXTA ist ein Dielektrischer Elastomer Aktuator bzw. künstlicher Muskel. Er funktioniert nach dem elektrostatischen Wirkprinzip. In Abhängigkeit externer Signale kann sich der Aktuator zusammenziehen und wieder ausdehnen. So lassen sich beispielsweise eine Rückmeldung über taktile Sensoren erzeugen, optische Linsen positionieren oder pneumatische Systeme steuern.

Der Aktor ist leicht und in der Lage, Energie effizient elastisch zwischenzuspeichern. Anwendungen für das Interieur im Automobil, Mixed Reality, Gaming, die Medizintechnik und die industrielle Automation sind sein Metier.

Technische Merkmale und Funktionsweise 

Silikonaktuatoren messen 10 bis 20 mm und sind bis zu ein paar Millimetern verformbar. Dabei erzeugen sie Kräfte von bis zu 10 N. Der SXTA besteht aus mehreren Hundert Lagen mikroskopisch dünner elastischer Silikonschichten und elektrisch leitfähigen Kohlenstoffelektroden.

Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden laden sich die Aktuatoren elektrisch auf. Dabei wird ein elektrostatisches Feld in ihnen aufgebaut. Das Feld erzeugt eine elektrostatische Kraft, welche die Aktuatoren auf Basis des nachgiebigen elastischen Silikons zwischen den Elektroden zusammenziehen kann. Der Muskel wird angespannt. Er löst sich wieder, wenn die elektrische Ladung z. B. durch einen Kurzschluss abgeführt wird. Die Reduktion der Ladung schwächt die elektrostatische Anziehungskraft. Die elastische Silikonschicht bringt die Aktuatoren mechanisch wieder seine ursprüngliche Form.

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Silikon Aktuatoren wirken wie ein elektrostatisch steuerbares Federelement, welches sich bewegt, versteift und Energie speichert. Die Verformung und die Kraft verhalten sich proportional zur angelegten Spannung. Dank der Energiespeicherung hält der Aktor eine bestimmte Position sehr energiearm.

Vergleich mit Piezoelektrischem Element und Hubmagnet

Der Silikonaktor hat im Vergleich zu einem piezoelektrischen Stapelaktuator viel mehr Power. Bei relativ großem Hub erzeugen Silikon Aktuatoren hohe Kräfte. So schaffen sie bei gleicher Länge einen vielfachen Hub von piezoelektrischen Stapelaktoren.

Im Gegensatz zu Hubmagneten kann der SXTA eine bestimmte Auslenkung proportional zum Eingangssignal anfahren und fast energielos halten. Weil er keine Metalle enthält, ist er sehr leicht. Der Actuator besteht im Wesentlichen aus Silikon. Dadurch ist er robust gebaut. Gegenüber Scherkräften und Schlägen ist er wesentlich weniger empfindlich als z. B. ein piezoelektrischer Aktuator.

Sein Herstellverfahren ermöglicht eine variable Formgebung, denn seine Bauform ist nicht von Geometrien wie Gelenken und Spulen aufgezwungen. Damit lässt sich der Aktuator effizient miniaturisieren.

Designmöglichkeiten und Anwendernutzen

Dank der relativ frei wählbaren Form des Silikonaktors erhalten Entwickler neue Designmöglichkeiten beispielsweise für ergonomische Bedieneinheiten. Der Aktuator ist auf den verfügbaren Raum anpassbar. Er schmiegt sich selbst an leicht gekrümmte Oberflächen an. 

Weil er mit seinem elektrostatischen Wirkprinzip eine Auslenkung fast energielos halten kann, ist der Silikonaktuator sehr energieeffizient. Der damit ist mögliche langandauernder Batteriebetrieb ist ein wichtiger Vorteil für tragbare Geräte.

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Mit dem relativ großen Hub des Silikonaktuators kann der Anwender seinen Aufbau vereinfachen. Positionierungen lassen sich ohne Getriebe oder Umlenkung umsetzen. Mit dem elastischen Material vom Aktor sind Funktionen möglich wie Vibrationen dämpfen, Entratteln durch mechanische Vorspannung und Einbautoleranzen lassen sich ausgleichen. Das führt zu Einsparungen von Bauteilen und Kosten.

Weil der Silikonaktuator aus Silikon statisch und dynamisch bewegt werden kann, ist er in der Lage schnelle Pulse wie langsame Verformungen auszuführen. Dabei kann er jede beliebige Auslenkung kontinuierlich anfahren und halten. Damit nimmt der SXTA mehrere Funktionen gleichzeitig wahr und macht das System weniger komplex.

Das monolithische Design macht den Aktor robust, schock- und schlagresistent. Er hält Temperaturen von -40° bis + 85°C stand und hat eine lange Lebensdauer.

Anwendungsbeispiele für den Silikonaktor

Nachfolgend finden Sie einige Anwendungsbeispiele für das Automobilinterieur sowie erste Ansätze für die Medizintechnik.

Automobil: Türbedieneinheit mit integrierter Haptik

Im Bereich Bedienhaptik auf dekorativen Oberflächen arbeitet Sateco u. a. mit dem Automobilzulieferer Marquardt zusammen. Der erarbeitete Prototyp einer Türbedieneinheit, welcher eine integrierte Haptik hat, erhielt die Rückmeldung in Form eines mechanischen Pulses. Im Gegensatz zu den derzeit umgesetzten Oberflächen mit integrierter haptischer Rückmeldung weist der Demonstrator keinen Spalt zwischen haptisch aktiver Fläche und inaktiver Befestigung der Oberfläche auf. Das vereinfacht den Aufbau wesentlich.

Eine bestimmte Ausformung der Oberfläche konzentrierte haptische Signale auf einen ausgewählten Bereich der Bedienfläche. So ist die haptische Rückmeldung nur dann als ein Klick spürbar, wenn der Finger die Oberfläche in dem ausgewählten Bereich berührt. Ein großer funktioneller Vorteil des Silikonaktuators gegenüber piezoelektrischen Aktoren ist die relativ geräuscharme Erzeugung der haptischen Rückmeldung. Diese Eigenschaft trägt sehr zur Wertigkeit eines Fahrzeugs bei.

Obiger Demonstrator nutzt im Wesentlichen die schnelle Bewegung des Aktuators aus. Die Entwickler vom Automobilinterieur sind bestrebt, den funktionalen glatten Oberflächen bei Bedarf eine Textur bzw. Topographie zu geben. Das erleichtert die Betätigung, weil es dem Finger Orientierungshilfe gibt. Zudem kann auf einer Oberfläche nur die Information vorgehoben werden, die im Kontext mit einer bestimmten Bedienung steht. Das reduziert die Ablenkung des Nutzers.

Zwei Demonstratoren präsentieren, wie mittels Silikonaktuatoren sehr einfach harte Bedientasten aus einer glatten Oberfläche erscheinen können und sich Texturen in flexiblen weichen Textiloberflächen erzeugen lassen. Diese Demonstratoren nutzen das volle Potential des Aktuators. Er hebt und senkt mit seinem großen Hub direkt die Tasten bzw. das Textil aus der Oberfläche.

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Tasten bzw. beweglicher Teil der Oberfläche sind mit dem Aktuator verbunden und werden durch dessen Kontraktion aus der Oberfläche gestoßen und gezogen. Diese Bewegung wirkt lautlos und sehr spontan. Tasten bzw. Textur können beliebig lange gehalten werden.

Außerdem kann der Silikonaktor durch eine überlagerte rasche Bewegung eine haptische Rückmeldung erzeugen, sobald die hervorgehobene Textur oder Taste berührt wird. Beim Beispiel Marquardt ist ein Puls als Tastenklick spürbar s. o.

Medizintechnik: Energieeffizientes Hantieren von Flüssigkeiten

In der Medizintechnik kann mit dem Aktuator als Pumpe oder Ventil energieeffizient Flüssigkeiten hantiert werden. Weil der Silikonaktor eine Auslenkung fast ohne Energiebedarf halten kann, eignet er sich sehr gut zum Dosieren und Dispensen von Flüssigkeiten.

Zudem gestattet die direkte proportionale Kontrolle der Aktor Auslenkung eine pulsationsfreie Förderung. Hubmagnete erzeugen im Vergleich bei jedem Förderhub durch den mechanischen Aufprall des Magneten im Anschlag eine Pulsation. Hingegen können Silikonaktoren so angesteuert werden, dass der Übergang von einem Hub zum anderen kontinuierlich und pulsationsfrei verläuft.

Auch das Aktuator Material ist vorteilhaft in der Medizintechnik. Da er im Wesentlichen aus Silikon besteht, bietet sich seine direkte Integration in gängige, medizintechnische Artikel auf Silikonbasis an wie zum Beispiel in Schläuche. Die direkte Integration des Aktors reduziert Grenzflächen, die zu fördernde Medien kontaminieren können. Und der Silikonaktor kann effizient gemeinsam mit dem Schlauch ausgetauscht werden.

Erste Generation für Prototypen

Derzeit stehen die Silikon Aktuatoren SXTA1 in der ersten Generation für Versuche und Prototypen zur Verfügung. Sie werden in Zusammenarbeit mit einem Start-up der EMPA (Eidgenössische Materialprüfungsanstalt, Teil der ETH Zürich) in der Schweiz auf einer Anlage für Prototypen hergestellt. Es gibt Muster in drei Varianten.

Fakten und Komponenten von und für die Batterieproduktion

Der kleinste Aktor SXTA1-1005 misst eine Grundfläche von 5 x 5 mm und ist 5 mm hoch. Damit lässt sich ein Hub von ca. 0,2 mm bei einer Kraft von ca. 1 N erzeugen. Sein größerer Bruder SXTA1-1010 ist doppelt so hoch und kann ca. 0,4 mm Hub bei 3 N leisten. Die größte Variante SXTA1-1520 hat eine Grundfläche von 15 x 15 mm bei einer Höhe von 20 mm. Dieser Aktor kann sich um ca. 0,7 mm zusammenziehen und eine Kraft von bis zu 10 N erzeugen. Die Höhe, der erzielbare Hub und die Kraft können in einem bestimmten Rahmen auf Kundenwunsch angepasst werden. Ein Starter-Kit beinhaltet Silikonaktor, Software, Treiber und elektronische Steuerung.

Zweite Generation mit elektrischer Versorgung

Zusammen mit dem Start-up arbeitet die Sateco Gruppe bereits an SXTA2, der zweiten Generation Silikonaktoren. Gegenüber der ersten Generation hat die zweite eine elektrische Versorgung. Diese ist vergleichbar zu piezoelektrischen Stapelaktoren ist (600 V). Damit reduziert sich der Aufwand zur elektronischen Integration des Bauteils. Es werden zudem verbesserte elektrisch leitfähige Materialien verwendet. Diese verlängern die Lebensdauer Aktoren. Die Prüfdaten sind derzeit in Erstellung. Erste Muster soll es ab Mitte 2021 geben.

Pionierleistung in der Industrialisierung

Im Gegensatz zur ersten Generation wird der SXTA2 in Stückzahlen von mehreren 100.000 Teilen pro Jahr herstellbar sein. Zur Umsetzung dieser Stückzahl baut die Sateco Gruppe am Standort Schwerzenbach eine neuartige Produktionsanlage mit einem 200 m² großen Reinraum. Die Fertigungsanlage muss eine sehr hohe Präzision haben und es soll eine ausgesprochen hohe Wiederholbarkeit gewährleistet sein. Bei der Herstellung eines Silikonaktuators müssen mehrere Hundert Lagen mikroskopisch dünner elastischer Silikonschichten defektfrei und in engen Toleranzen aufeinandergestapelt werden.

Sateco stellt aus auf der Sensor+Test 2021.