07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Industrielle Fertigung und FabrikbetriebAuthor: search.filters.author.Neuhaus, Raphael

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    ItemOpen Access
    New manufacturing and integration methods of CNT-based ionic EAP actuators and their application potential in adaptive building envelopes
    (Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Neuhaus, Raphael; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
    Im Bauwesen kommt leichten und adaptiven Gebäudehüllen eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung des globalen Ressourcenverbrauchs und der damit einhergehenden Emissionen zu. Adaptive Gebäudehüllen benötigen smarte Materialien und intelligente Steuerungssysteme, um ihre bauphysikalischen Eigenschaften wie z.B. ihre Atmungsaktivität als Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Ionische elektroaktive Polymere (IEAP) besitzen die Fähigkeit zur kontrollierbaren materialintrinsischen Verformung und stellen eine potenzielle Aktortechnologie für solche Anwendungen dar. IEAPs werden oft auch als „künstliche Muskeln“ bezeichnet und sind seit über zwei Jahrzehnten Gegenstand der Erforschung flexibler und nachgiebiger Stellantriebe. Sie reagieren mit teils großen Auslenkungen auf kleine elektrische Spannungen und wurden bereits für Soft-Robotik-Anwendungen und mikrofluidische Systeme vorgeschlagen. Bis heute sind sie jedoch vorwiegend Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen und wurden trotz ihrer interessanten Eigenschaften noch nie für den Einsatz in Gebäuden angepasst. Ihr komplexer Herstellungsprozess, ihre hochentwickelten Materialzusammensetzungen, ihre bislang unzureichenden Leistungsmerkmale und ihre Empfindlichkeit gegenüber Umweltfaktoren standen einer kommerziellen Verbreitung in neuen Anwendungsbereichen bisher entgegen. Als jüngster Vertreter unter den IEAP weisen Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) basierte Polymeraktoren einige vorteilhafte Eigenschaften auf, wie z.B. eine gute Kraftübertragung, Funktionsfähigkeit in Luft, integrierte Sensorfunktionalität, absolute Geräuschlosigkeit und eine vergleichsweise einfache Herstellung. In dieser Arbeit werden kosteneffiziente Materialzusammensetzungen, schnelle und skalierbare Herstellungstechniken und neue Integrationsmethoden für CNT-Aktoren untersucht. Zunächst wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung angewendet, um optimierte Materialzusammensetzungen und Dispersionsparameter zu finden, die zur Erzeugung stabiler Nanomaterialdispersionen benötigt werden. Dabei wurden verschiedene Ersatzwerkstoffe eingesetzt, die entweder weniger toxisch oder kostengünstiger als die bisher verwendeten Materialien sind. Insgesamt wurde eine Verkürzung der Dispersionszeiten um bis zu 90% sowie eine Reduzierung der Materialkosten um bis zu 85% ohne größere Einbußen bei der Funktionalität erreicht. In einem zweiten Schritt wurden automatisierbare Druckverfahren wie das mehrlagige Schlitzdüsenbeschichten erfolgreich getestet, wodurch großflächige Elektrodenschichten in deutlich kürzerer Zeit und mit verbesserter Schichtdickenhomogenität hergestellt werden konnten. Des Weiteren wurden neuartige Verfahren für eingebettete elektrische Anschlüsse (Heißpressen), für den Zusammenbau der Aktoren (Kalandrieren) und für eine automatisierbare Aktorverkapselung (Tauchbeschichten) untersucht und teilweise bis zum Technikumsmaßstab weiterentwickelt, so dass sich nun stabile Aktoren mit reproduzierbaren, wenn auch moderaten Leistungseigenschaften herstellen lassen. Zwei experimentelle Demonstratoren wurden entworfen und gebaut, um das Aktor- und Sensorverhalten von CNT-basierten IEAP zu untersuchen, die in eine Stoffmembran integriert sind. Simulationsgestützte Entwurfsansätze umfassten die Evaluierung der Aktuierungskinematik von IEAP-getriebenen Membranöffnungen und Blenden sowie ein Konzept für die Positionierung und Verteilung von Aktoren auf der Membran. Umfangreiche Demonstratortests haben gezeigt, dass eine praktikable und zuverlässige Integration solch komplexer elektrochemischer Aktoren eine Herausforderung bleibt, insbesondere, weil ihre Leistungseigenschaften noch stark von nicht anwendungsbezogenen Faktoren abhängen. Zum Beispiel kann die Diffusion ionischer Flüssigkeiten aus den Aktor-Elektroden in die Leiterbahnen zu unterschiedlichen elektrischen Übergangswiderständen führen, die nur schwer zu kontrollieren sind und somit Unterschiede im Zeitverhalten und in der Lebensdauer der einzelnen Aktoren verursachen können. Die Hauptmotivation für diese Arbeit war es, die allgemeine Praxistauglichkeit von IEAP-Aktoren und -Sensoren voranzutreiben und ihr Potenzial als intelligentes Material für adaptive Gebäudehüllen zu untersuchen und zu veranschaulichen. Somit stellt diese Arbeit den ersten experimentellen Ansatz dar, die IEAP-Technologie in einer gebäudebezogenen Anwendung einzusetzen.
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    ItemOpen Access
    The effect of rod orientation on electrical anisotropy in silver nanowire networks for ultra-transparent electrodes
    (2016) Ackermann, Thomas; Neuhaus, Raphael; Roth, Siegmar
    Two-dimensional networks made of metal nanowires are excellent paradigms for the experimental observation of electrical percolation caused by continuous jackstraw-like physical pathways. Such systems became very interesting as alternative material in transparent electrodes, which are fundamental components in display devices. This work presents the experimental characterization of low-haze and ultra-transparent electrodes based on silver nanowires. The films are created by dip-coating, a feasible and scalable liquid film coating technique. We have found dominant alignment of the silver nanowires in withdrawal direction. The impact of this structural anisotropy on electrical anisotropy becomes more pronounced for low area coverage. The rod alignment does not influence the technical usability of the films as significant electrical anisotropy occurs only at optical transmission higher than 99 %. For films with lower transmission, electrical anisotropy becomes negligible. In addition to the experimental work, we have carried out computational studies in order to explain our findings further and compare them to our experiments and previous literature. This paper presents the first experimental observation of electrical anisotropy in two-dimensional silver nanowire networks close at the percolation threshold.
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    ItemOpen Access
    Integrating ionic electroactive polymer actuators and sensors into adaptive building skins: potentials and limitations
    (2020) Neuhaus, Raphael; Zahiri, Nima; Petrs, Jan; Tahouni, Yasaman; Siegert, Jörg; Kolaric, Ivica; Dahy, Hanaa; Bauernhansl, Thomas
    Building envelopes separate the confined interior world engineered for human comfort and indoor activity from the exterior world with its uncontainable climatic forces and man-made immission. In the future, active, sustainable and lightweight building skins are needed to serve as an adaptive interface to govern the building-physical interactions between these two worlds. This article provides conceptual and experimental results regarding the integration of ionic electroactive polymer sensors and actuators into fabric membranes. The ultimate goal is to use this technology for adaptive membrane building skins. These devices have attracted high interest from industry and academia due to their small actuation voltages, relatively large actuation and sensing responses and their flexible and soft mechanical characteristics. However, their complex manufacturing process, sophisticated material compositions and their environmental sensitivity have limited the application range until now. The article describes the potentials and limitations of employing such devices for two different adaptive building functionalities: first, as a means of ventilation control and humidity regulation by embedding small actuated apertures into a fabric membrane, and second, as flexible, energy- and cost-efficient distributed sensors for external load monitoring of such structures. The article focusses on designing, building and testing of two experimental membrane demonstrators with integrated polymer actuators and sensors. It addresses the challenges encountered and draws conclusions for potential future optimization at the device and system level.