Additive Herstellung dielektrischer Elastomere für die industrielle Anwendung
Laufzeit: 01.05.2022 – 30.04.2024
Forschungsziel
Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung industriell skalierbarer, additiver Herstellungsprozesse für dielektrische Elastomere und dem Erstellen entsprechender Parameterrichtlinien. Bestehende Herstellungsansätze müssen dabei soweit optimiert werden, dass sie die Anforderungen der industriellen Anwendungsfelder einhalten können. Somit sollen gleichbleibende Systemparameter bei gleichzeitiger Gestaltungsfreiheit erzielt werden können, die den Einsatz von modularen elektronischen Steuerungselementen ermöglichen. Dadurch wird die Einstiegshürde in diese neue Technologie herabgesetzt. Des Weiteren wird die Systemintegration der mechatronischen Wandler in die jeweiligen Anwendungsszenarien erforscht und evaluiert. Verdeutlicht wird dies durch Demonstratoren additiv hergestellter Sensoren und Aktoren, die die Grundlage für eine neue Generation an weichen, flexiblen Sensoren für den Einsatz im Umfeld des Menschen und nachgiebigen Aktorlösungen für den wach-senden Bereich weicher Greifer und Softrobots bilden.
Beschreibung
Aufgrund der Robustheit, der flexiblen Integration, des geringen Gewichts sowie der niedrigen Produktionskosten wächst der Markt der flexiblen Elektronik kontinuierlich an, wie in Abbildung 1 ersichtlich wird. Dabei stellen vor allem intuitive Nutzerschnittstellen und am Körper getragene Elektronik aus den Bereichen Konsumgüter, Automobil und Gesundheit die Hauptanwendungsgebiete dar.
Abbildung: Marktwachstum der flexiblen Elektronik unterteilt nach Regionen von 2019 bis 2027 in Million USD;
Quelle: MAXIMIZE MARKET RESEARCH LTD. Global Flexible Electronics Market: Industry Analysis and Forecast (2019-2027). by Components, Application and by Geography, 03.2021
Im Gesundheitsbereich wird flexible Sensorik häufig zur Aufnahme von Vitaldaten im Rahmen der Prävention oder Diagnostik eingesetzt. Durch die Integration in Kleidung, Uhren und anderen Sensoren, die sich der Bewegung des Körpers anpassen, können mehr Daten erfasst werden, was zu einer differenzierteren, datengestützten Diagnostik beiträgt. Daraus folgt ein kontinuierliches Marktwachstum der flexiblen Elektronik im Gesundheitsbereich von jährlich 8 %. Zusätzlich werden diese Anwendungen durch die Digitalisierungsinitiativen des Bundes bestärkt.
Ein weiterer wichtiger Antrieb für die positive Marktentwicklung ist das Internet der Dinge (IoT). Durch flexible Elektronik können Oberflächen, Textilien oder andere Materialien funktionalisiert werden und somit zur Vernetzung und Schnittstellenbereitstellung beitragen. Dadurch werden neue Designmöglichkeiten für Automobil und intuitive Nutzerschnittstellen geschaffen, die diskret in die jeweiligen Materialien integriert sind. Die wichtigsten Akteure auf diesem Gebiet setzen sich hauptsächlich aus großen Firmen wie der Samsung Group, LG Group, Solar Frontier, First Solar oder Panasonic zusammen. Durch die Technologieentwicklung im vorliegenden Forschungsvorhaben soll in Deutschland ansässigen kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) der Einstieg in diese vielversprechende Technologie ermöglicht werden, sodass diese ebenfalls von den aktuellen Trendtechnologien profitieren können.
Im Projektverlauf wird allerdings nicht nur die Nutzbarkeit der flexiblen Elektronik für KMUs adressiert, sondern auch deren Produktion. In diesem Bereich wird auf die additive Fertigung eingegangen, auf der die meisten Prozesse zur Herstellung flexibler Elektronik beruhen. Auch dieser Sektor hat im vergangenen Jahrzehnt starkes Wachstum erfahren, da die Verfahren nicht mehr zur reinen Fertigung von Prototypen eingesetzt, sondern auch zur Fertigung von Bauteilen verwendet werden. Für KMUs bietet die additive Fertigung durch geringe Anschaffungskosten und individuelle Bauteilfertigung bzw. Kleinserienproduktion klare Vorteile.
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU
Die wirtschaftliche Relevanz ergibt sich aus der Vielseitigkeit der DE welche durch entsprechende Anpassung ihrer wesentlichen geometrischen Parameter hinsichtlich unterschiedlicher Anwendungen spezialisiert werden können. Durch die Flexibilität, den geringen Bauraum sowie das geringe Gewicht der Systeme werden neue Technologien erschlossen, konventionelle Sensorapplikationen durch integrative Lösungen substituiert und biomimetische Antriebe ermöglicht.
Die Herstellung funktionaler DE erfordert eine sinnvolle Kombination verschiedener Parameter und bietet dabei mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlichen Fertigungstoleranzen. Durch die Untersuchung der Tauglichkeit verschiedener Verfahren und insbesondere deren Eignung für unterschiedliche Anwendungen bietet dieses Projekt eine breit aufgestellte Machbarkeitsanalyse und ermöglicht insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen, eine zielgerichtete Strategie zu wählen und Fehlversuche zu reduzieren. Dies soll den am Projekt beteiligten Unternehmen vor allem durch den Leitfaden zur Auswahl geeigneter Herstellungsprozesse und Richtlinien zur Systemauslegung ermöglicht werden, welcher zum Projektabschluss erstellt werden wird.
Additive Herstellungsverfahren können von KMUs insbesondere dazu genutzt werden, um Prototypen und Kleinserien wirtschaftlich zu fertigen. In diesem Kontext bietet das Projekt den zusätzlichen Vorteil, dass die Flexibilität der dielektrischen Elastomere hinsichtlich ihrer Systemcharakteristika parametrisch untersucht wird. Damit lassen sich anwendungsbedingte Abänderungen effizient implementieren.
Für Anlagenhersteller wie Neotech AMT ist mit einer steigenden Nachfrage im Bereich flexibler gedruckter Elektronik zu rechnen. Hieraus profitieren auch Tinten-Materialhersteller für gedruckte Elektronik wie GSB Wahl oder LUH GmbH. Durch die benötigten Komponenten der Ansteuerelektrik erlangen Hersteller für Mikroelektronik wie Digalog einen Innovationsvorsprung durch die Projektinhalte. KMUs aus dem Bereich der Medizintechnik (Movimento, HumanOptics) besetzen Vorreiterrollen im Kontext Digitalisierung und erhalten dadurch einen Wettbewerbsvorteil.
Schließlich ermöglichen die Ergebnisse des Projekts für KMUs die Erschließung neuer, zukunftsorientierter Märkte wie Kommunikationstechnologien für Industrie 4.0 und IoT sowie Komponenten für die Medizintechnik, welche einen zentralen Bestandteil für die Digitalisierung in diesem Bereich bilden.
Forschungsinstitute
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. E-Mail an Geschäftsstelle
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
Dokumente
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1. Projekttreffen Präsentation 22.07.2022
