Vakuumpumpen-Prototyp Neuartige Pumpen aus dünnen Folien

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Eine dünne Silikonfolie sorgt dafür, dass Pumpen ohne Motoren, ohne Druckluft, ohne Schmiermittel und ohne zusätzliche Sensoren auskommen. Sie lassen sich beliebig schalten und in bisher unmöglichen Bauformen unterbringen. 

Wo Vakuum gebraucht wird, macht die Folientechnologie leichte, flache und energieeffiziente Pumpen möglich. Das Team von Professor Paul Motzki von der Universität des Saarlandes demonstriert die Technologie auf der Hannover Messe vom 20. bis 24. April mit einem Vakuumpumpen-Prototyp, dem sie mit zwei Folienantrieben doppelte Pumpkraft verleihen. Gemeinschaftsstand „Germany‘s Saarland“, Halle 11, Stand D41.

In die Kunststofffolie kommt Bewegung, sobald die Forscherinnen und Forscher eine elektrische Spannung an sie anlegen. Mit 50 Mikrometern ist die Folie ungefähr so dick wie ein Haar. Das Team von Professor Paul Motzki lässt sie kräftig klopfen, vibrieren, sich langsam in einer fließenden Bewegung heben und senken oder in einer Stellung verharren – einfach, indem sie die elektrische Spannung ändern. Was sich anhört wie eine nette Spielerei, ist der Stoff aus dem neuartige Minimotoren sind.

Vakuumpumpen mit smarten Folien

Weil die Forscher die Folie ansteuern können, kann sie Aufgaben übernehmen, zum Beispiel etwas drücken oder ziehen. Sie kann Bewegungen ausführen, für die technische Gerätschaften sonst Motoren oder Druckluftkompressoren brauchen, was viel Platz, Energie und Wartung in Anspruch nimmt. So baut das Forschungsteam smarte Folien auch in Vakuumpumpen ein, um Luft oder Flüssigkeit aus einer Kammer zu ziehen. In der industriellen und technischen Praxis sind Vakuumpumpen unverzichtbar und überall im Einsatz, von Verpackungsmaschinen, Robotergreifern bis Medizintechnik.

Vakuum ohne Druckluft, ohne Motor 

Die Folientechnologie braucht keine schweren Bauteile, sie ist leicht und kompakt. „Wir können mit den dielektrischen Elastomeren, wie die Folien genannt werden, die Bauform der Pumpen den jeweiligen Anforderungen anpassen. Dabei können wir auch solche Formen umsetzen, die mit herkömmlichen Verfahren technisch nicht möglich sind, etwa sehr dünne und flache Geometrien vergleichbar der Form eines Smartphones“, sagt Paul Motzki. Der Professor für smarte Materialsysteme der Universität des Saarlandes ist Geschäftsführer des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema). 

Die Folien pumpen auch in kleiner, filigraner Umgebung. Die Technologie braucht keine seltenen Erden oder Kupfer und kommt ohne Schmieröl aus. Das macht sie in Reinräumen und sterilen Umgebungen einsetzbar. „Außerdem können Pumpen aus Folie je nach Betriebsart sehr energieeffizient sein“, sagt Paul Motzki. Und: Die Pumpen aus Folie sind leise – ein Vorteil, der die Geräuschkulisse in Produktionshallen deutlich senken könnte.

Skalierbarkeit: Mehr Folienantriebe, mehr Leistung

Auf der diesjährigen Hannover Messe veranschaulicht das Forschungsteam mit einem neuen Prototyp, wie sich die Technologie skalieren lässt. Hierzu statteten die Forscherinnen und Forscher einen Vakuumpumpen-Prototyp mit Doppelantrieb aus. Während die Vakuumpumpe, die sie im vergangenen Jahr auf der Messe zeigten, einen Antrieb aus Folie in einer Pumpkammer hatte, besitzt die neue Pumpe nun zwei Antriebe in zwei Pumpkammern. „Wir können die beiden Aktoren in den Pumpenkammern entweder parallel oder hintereinander in Reihe schalten und damit Druck, Volumenstrom und auch die Leistung vergrößern“, erklärt Paul Motzki.

Die beiden Folienantriebe können abwechselnd als Gegenspieler arbeiten: Während eine Folie belastet wird, wird die andere entlastet. Dadurch reißt die Leistung nicht ab und die Pumpe zieht schnell und zyklusfrei ein kontinuierliches Vakuum in einer Glasglocke – mit mehr Volumenstrom und Druck dahinter. Im Zusammenspiel der beiden Folienmotoren bringt die Pumpe mehr Leistung. Während die Einzel-Pumpe es 2025 auf bis zu 300 Millibar Druck absolut schaffte, schafft sie jetzt unter 200 Millibar. „Wir können natürlich auch mehr Folien in Reihe oder parallelschalten und damit die Leistung anpassen und erhöhen – ganz nach Einsatzgebiet“, sagt Paul Motzki.

Vakuumtechnik

Energiesparend und leicht: Pumpen und Ventile aus Folie

So funktioniert die Folientechnologie

„Die neue Version der Pumpe ist ein weiterer Schritt Richtung Industriepraxis“, sagt Paul Motzki. Schon seit Jahren arbeitet er mit seinem Team in zahlreichen Forschungsprojekten an der Folientechnologie. Ihre Funktionsweise beruht auf einer elektrisch leitfähigen, hochdehnbaren Elektrodenschicht, mit der die Folie auf Vorder- und Rückseite bedruckt ist. Legen die Forscherinnen und Forscher hier eine elektrische Spannung an, ziehen sich die beiden aufgedruckten Schichten elektrostatisch an: Die Folie drückt sich noch flacher zusammen und dehnt sich gleichzeitig in die Breite. 

„Wenn wir das elektrische Feld verändern, können wir das dielektrische Elastomer mit beliebiger Frequenz und Schwingung ansteuern und es vibrieren oder stufenlos langsame, schnelle und kräftige Hubbewegungen vollführen lassen“, erläutert Motzki. Die Folie kann auch jede gewünschte Stellung halten. Strom verbraucht sie nur, wenn sie in Aktion ist. Die Saarbrücker Forscherinnen und Forscher verwenden die Folie wie einen Antrieb: einen Minimotor, der keine zusätzlichen Sensoren braucht.

Monitoring der Vakuumpumpe ohne Sensor

„Die Folien sind selbst ihr eigener Sensor“, sagt Paul Motzki. Diese Funktion liefern die dielektrischen Elastomere gleich mit. Bei minimaler Bewegung verändern sich die Messwerte der elektrischen Kapazität. Jede Verformung der Folie hat ihre eigene charakteristische Zahlenfolge. Anhand dieses Messwerts können die Ingenieurinnen und Ingenieure genau ablesen, wie die Folie mechanisch ausgelenkt ist, also wie sie sich gerade verformt. In einer Regelungseinheit programmieren sie mit diesen Messdaten mithilfe von maschinellen Lernmethoden präzise Bewegungsabläufe. Dadurch ziehen die Folien in motorlosen Vakuumpumpen ein Vakuum, dosieren als Ventil Flüssigkeiten oder dienen als stufenlose Schalter. Außerdem können sie ihre eigene Funktion überwachen: An den Messdaten zeigt sich, wenn ein Fremdkörper die Pumpe blockiert oder das Vakuum nicht sicher gezogen wurde.

Hannover Messe 2025

Smarte Robotergreifer sparen Energie

In anderen Projekten nutzt Motzkis Team die Folien für Robotergreifer, Lautsprecher, aber auch Anwendungen wie haptisches Feedback auf Smartphone-Displays oder smarte Textilien: So etwa im intelligenten Arbeitshandschuh, der als Schnittstelle der Technik mitteilt, wie Hand und Finger sich gerade bewegen. Um die Ergebnisse in die Industriepraxis zu bringen, haben die Forscher aus der Universität heraus die Firma mateligent GmbH gegründet, die auch am Saarlandstand der Hannover Messe vertreten sein wird.