Alles aus hauchdünner Folie 02.04.2019, 11:16 Uhr

Pumpen ohne Motor und Ventile, die sich selbst dosieren

Eine dünne Silikonfolie regelt stufenlos den Durchfluss von Ventilen und die Leistung einer Pumpe. Sie erkennt auch, wenn ein Fremdkörper sie blockiert. Die Forscher aus Saarbrücken haben diese Folie so konstruiert, dass sie in jede Gehäuseform passt.

Pumpenanlage

Pumpen werden in vielen Anlagen eingesetzt. Funktionieren sie nicht richtig, können größere Schäden entstehen.

Foto: hramovnick / Panthermedia.net

Die Forschergruppe um Stefan Seelecke, Lehrstuhlinhaber für intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlandes, entwickelte Ventile und Pumpen aus dünner Silikonfolie. Ihre Besonderheit: Sie ist beidseitig mit elektrisch leitfähigem Material bedruckt. Als Ergebnis kann die Folie eine Rückmeldung zu ihrem Zustand und ihrer Funktion geben, zum Beispiel, ob das Ventil offen oder geschlossen ist und sogar, wie weit genau es geöffnet ist. Auch wenn ein Fremdkörper beispielsweise das Schließen des Ventils behindert, wird diese Fehlermeldung weitergegeben.

Folie lässt sich präzise elektrisch ansteuern

Die Bereiche, in denen Pumpen und Ventile eingesetzt werden, sind vielfältig. Man findet sie in kleinen wie großen Heizungsanlagen, an Tankstellen, in Wasserwerken, Autos, Pipelines, Hochdruckreinigern, Feuerlöschanlagen, zur Meerwasserentsalzung oder in großen Maschinen, die unter anderem in der Papier- und Druckindustrie benötigt werden. Im Alltag bedeutet das: Gerade wenn kleine Ventile oder Pumpen in großen Anlagen ausfallen, stehen Ingenieure und Monteure vor großen Herausforderungen. Meist vergeht jede Menge Zeit, bis der Fehler endlich gefunden ist. In einigen Fällen wirken sich Schäden, Fehler oder Beeinträchtigungen erst mit großer zeitlicher Verzögerung auf die Anlage aus. Beispielsweise wenn sich ein Fremdkörper in einem Ventil einklemmt und es nicht mehr richtig schließt. Das wirkt sich unter Umständen erst Tage später auf die gesamte Anlage aus. Der Schaden kann bis dahin schon beträchtliche Ausmaße angenommen haben.

Das Forscherteam ist in der Lage, die beidseitig mit elektrisch leitfähigem Material bedruckte Silikonfolie präzise elektrisch anzusteuern, sie vibrieren zu lassen. Gleichzeitig erhalten die Ingenieure eine Rückmeldung über die Bewegung der Folie. Die Wissenschaftler bezeichnen das als dielektrische Elastomere. Steffen Hau, Ingenieur aus Seeleckes Forscherteam, erklärt, was damit gemeint ist: „Legen wir eine elektrische Spannung an, bewirkt die elektrostatische Anziehung, dass die Folie sich in Dickenrichtung zusammenzieht und sich in der Fläche ausdehnt.“ Wenn sie nun das elektrische Feld verändern, nehmen die Forscher Einfluss auf die Folie. Beispielsweise indem sie diese hochfrequent vibrieren oder stufenlose Hub-Bewegungen ausführen lassen. Eine bestimmte Stellung kann man bei der Folie ebenfalls einstellen. Diese hält sie dann. „Das macht die Folie aus Silikon zu einem neuartigen Antrieb“, sagt Hau.

Sehr kompakt, flach und energieeffizient herstellbar

Entwickelt haben die Forscher an der Saar-Universität und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZEMA) die selbstregelnden Ventile und motorlosen Pumpen mit einer speziellen Steuerung, in deren Hintergrund Algorithmen laufen. Weil diese Pumpen keinen Motor benötigen, kann man sie sehr kompakt, flach und energieeffizient produzieren. Die Folie selbst funktioniert zugleich als Positions-Sensor. Das bedeutet: Jede Veränderung kann man exakt einem bestimmten Messwert zuordnen. Dadurch lassen sich Bewegungsabläufe genau berechnen und auch programmieren. Das Folienventil kann auf diese Art und Weise Druckluft oder Flüssigkeiten nach Bedarf ganz präzise dosieren.

Zwei Forscher mit Prototypen einer motorlosen Pumpe und eines smarten Ventils aus Folie.

Die Ingenieure Philipp Linnebach (li.) und Steffen Hau aus dem Forscherteam von Stefan Seelecke mit Prototypen einer motorlosen Pumpe (Mitte) und eines smarten Ventils (vorne re.) aus Folie.

Foto: Oliver Dietze

Drei verschiedene Pumpentypen

Grundsätzlich fördern und transportieren Pumpen Flüssigkeiten oder Druckluft. Es gibt drei verschiedene Pumpentypen: Strömungs-, Verdrängungs- und Strahlpumpen. In den meisten Fällen kommen Strömungspumpen zum Einsatz. Die Flüssigkeit strömt frei durch die Pumpe. Klappen oder Ventile gibt es nicht. Bei Verdrängungspumpen handelt es sich immer um ein in sich geschlossenes System. Ein sogenannter Verdränger, zum Beispiel ein Kolben, verdrängt das zu transportierende Medium und schiebt es in die gewünschte Richtung. Unter anderem verhindern Ventile und Klappen ein Zurückströmen. Strahlpumpen fördern, verdichten oder mischen Gase, Flüssigkeiten, Dämpfe oder Feststoffe. Sie erzeugen ein Vakuum, in dem ein gasförmiges oder flüssiges Medium als sogenanntes Treibmedium agiert. Im Austausch mit dem Saugmedium kann die Pumpe Druckenergie in Geschwindigkeit umsetzen. Sie ist einfach aufgebaut, benötigt keine bewegten Teile und ist deshalb besonders robust, wartungsarm und vielseitig einsetzbar.

Die Forschergruppe stellt ihre neue Entwicklung auf der Hannover Messe vor. Seit dem 1. April kann man sie sich am saarländischen Forschungsstand B46 in Halle 2 einmal genauer anschauen.

Hier sind Pumpen und Ventile beispielsweise im Einsatz:

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