Optimization of dielectric elastomer actuators: Advanced manufacturing, electrical failure analysis, and innovative repair method

Abstract

Over the past twenty years, dielectric elastomers (DE) have been identified as a highly promising concept for next-generation actuators that could replace conventional electro-magnetic, pneumatic, and hydraulic systems. Their self-sensing capability, high energy efficiency, and suitability for soft robotics make them particularly attractive. To advance from lab-scale demonstrators toward industrial applications, cost-efficient and scalable manufacturing methods and improved reliability are essential. This thesis presents the first systematic investigation of screen printing parameters for applying electrodes to silicone thin films, aiming to characterize and optimize an industry-grade process with respect to key electro-mechanical performance. It further provides a detailed study of electrical breakdown to determine operational limits of currently used silicone thin films, focusing on the influence of temperature, humidity, and pre-stretch. The analyses revealed a significant effect of electrode materials on breakdown strength, motivating an additional comparative study of various electrodes reported in literature. All three subjects resulted in peer-reviewed journal publications integrated into this thesis in a cumulative way. A fourth, patent-pending contribution introduces a novel test and repair method for DEs during fabrication, enabling reliable operation at a defined voltage and significantly improving breakdown behavior and operability of next-generation DE actuators.

Dielektrische Elastomere (DE) wurden in den letzten zwanzig Jahren als vielversprechende Technologie für neuartige Aktorsysteme identifiziert, die konventionelle elektromagnetische und hydraulische Technologien ersetzen könnten. Ihre hohe Energieeffizienz, integrierte Sensorsignale und das Potenzial für „Soft Robotics“ wurden bereits in diversen Forschungsprojekten demonstriert. Für den Schritt vom Labormaßstab zur industriellen Anwendung werden skalierbare, wirtschaftliche Herstellungsverfahren und eine optimierte Betriebszuverlässigkeit erforderlich. Diese Dissertation präsentiert erstmals eine systematische Untersuchung des Siebdrucks zur Applikation von Elektroden auf Silikon-Dünnfilme und charakterisiert das Verfahren im Hinblick auf relevante elektro-mechanische Leistungskennwerte. Darauf aufbauend wird das elektrische Durchschlagverhalten unter Variation von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Vordehnung analysiert, um die Betriebsgrenzen aktuell verwendeter Silikon-Dünnfilme zu bestimmen. Der dabei erkannte starke Einfluss der Elektroden führte zu einer erweiterten Studie verschiedener Elektrodenmaterialien und Herstellungsverfahren. Alle drei Themenbereiche führten zu wissenschaftlich begutachteten Publikationen, die in kumulativer Form in diese Dissertation eingebunden sind. Ergänzend stellt die Arbeit eine patentangemeldete Test- und Reparaturmethode vor, die die Fertigung zuverlässiger DE ermöglicht und die Einsatzgrenzen künftiger Aktorsysteme deutlich erweitert.