Pompe à vide sans moteur : les films fins - l'étoffe des pompes d'un nouveau genre

Le film plastique se met en mouvement dès que les chercheurs lui appliquent une tension électrique. Avec ses 50 micromètres, le film est à peu près aussi épais qu'un cheveu. L'équipe du professeur Paul Motzki le fait taper vigoureusement, vibrer, se soulever et s'abaisser lentement dans un mouvement fluide ou rester dans une position - simplement en modifiant la tension électrique. Ce qui semble être un joli gadget est en fait l'étoffe dont sont faits les nouveaux types de mini-moteurs.

Comme les chercheurs peuvent commander le film, celui-ci peut assumer des tâches, par exemple pousser ou tirer quelque chose. Il peut effectuer des mouvements qui nécessitent normalement des moteurs ou des compresseurs d'air, ce qui prend beaucoup de place, d'énergie et d'entretien. Ainsi, l'équipe de recherche intègre également des films intelligents dans des pompes à vide pour extraire l'air ou le liquide d'une chambre. Dans la pratique industrielle et technique, les pompes à vide sont indispensables et utilisées partout, des machines d'emballage aux préhenseurs de robots en passant par la technique médicale.

Le vide sans air comprimé, sans moteur

La technologie des films n'a pas besoin de composants lourds, elle est légère et compacte. "Avec les élastomères diélectriques, comme on appelle les films, nous pouvons adapter la forme de construction des pompes aux exigences respectives. Nous pouvons également réaliser des formes qui ne sont pas techniquement possibles avec les procédés traditionnels, comme des géométries très fines et plates comparables à la forme d'un smartphone", explique Paul Motzki. Le professeur de systèmes de matériaux intelligents de l'université de la Sarre est le directeur du Centre de mécatronique et de technique d'automatisation (Zema). Les films pompent même dans un environnement petit et filigrane. La technologie n'a pas besoin de terres rares ou de cuivre et ne nécessite pas d'huile de lubrification. Elle peut donc être utilisée dans les salles blanches et les environnements stériles. "De plus, selon le mode de fonctionnement, les pompes en film peuvent être très efficaces sur le plan énergétique", explique Paul Motzki. De plus, les pompes en film sont silencieuses, un avantage qui pourrait réduire considérablement le bruit de fond dans les ateliers de production.

Plus d'entraînements par film, plus de puissance

Lors de la foire de Hanovre de cette année, l'équipe de recherche illustre avec un nouveau prototype comment la technologie peut être mise à l'échelle. Pour ce faire, les chercheurs ont équipé un prototype de pompe à vide d'un double entraînement. Alors que la pompe à vide qu'ils ont présentée l'année dernière au salon avait un actionneur en film plastique dans une chambre de pompage, la nouvelle pompe possède désormais deux actionneurs dans deux chambres de pompage. "Nous pouvons connecter les deux actionneurs dans les chambres de pompage soit en parallèle, soit en série, ce qui permet d'augmenter la pression, le débit et également la puissance", explique Paul Motzki.

Les deux actionneurs de film peuvent fonctionner alternativement en opposition : Pendant qu'un film est en charge, l'autre est déchargé. Ainsi, la puissance ne s'interrompt pas et la pompe tire rapidement et sans cycle un vide continu dans une cloche de verre - avec plus de débit et de pression derrière. L'interaction des deux moteurs à film permet à la pompe d'être plus performante. Alors qu'en 2025, la pompe individuelle pouvait atteindre jusqu'à 300 millibars de pression absolue, elle parvient désormais à moins de 200 millibars. "Nous pouvons bien sûr aussi connecter plus de films en série ou en parallèle et ainsi adapter et augmenter la puissance - selon le domaine d'application", explique Paul Motzki.

Un pas de plus vers l'utilisation dans l'industrie

"Cette nouvelle version de la pompe est un pas de plus vers la pratique industrielle", explique Paul Motzki. Depuis des années déjà, il travaille avec son équipe sur la technologie des films dans le cadre de nombreux projets de recherche. Son fonctionnement repose sur une couche d'électrodes conductrice d'électricité et hautement extensible, avec laquelle le film est imprimé au recto et au verso. Si les chercheurs y appliquent une tension électrique, les deux couches imprimées s'attirent de manière électrostatique : Le film s'aplatit encore plus et s'étire en même temps dans le sens de la largeur. "Si nous modifions le champ électrique, nous pouvons commander l'élastomère diélectrique avec n'importe quelle fréquence et oscillation et le faire vibrer ou exécuter en continu des mouvements de levage lents, rapides et puissants", explique Motzki. Le film peut également tenir toutes les positions souhaitées. Elle ne consomme de l'électricité que lorsqu'elle est en action. Les chercheurs de Sarrebruck utilisent le film comme un entraînement : un mini-moteur qui n'a pas besoin de capteurs supplémentaires.

"Le film est lui-même son propre capteur", explique Paul Motzki. Les élastomères diélectriques fournissent cette fonction en même temps. Au moindre mouvement, les valeurs de mesure de la capacité électrique changent. Chaque déformation du film a sa propre série de chiffres caractéristiques. Grâce à cette valeur de mesure, les ingénieurs peuvent lire exactement comment le film est dévié mécaniquement, c'est-à-dire comment il se déforme actuellement. Dans une unité de régulation, ils programment des séquences de mouvements précises à l'aide de ces données de mesure et de méthodes d'apprentissage automatique. Ainsi, les films créent un vide dans les pompes à vide sans moteur, dosent les liquides en tant que vanne ou servent d'interrupteurs à réglage continu. En outre, ils peuvent surveiller leur propre fonctionnement : Les données de mesure indiquent si un corps étranger bloque la pompe ou si le vide n'a pas été tiré de manière sûre.

Dans d'autres projets, l'équipe de Motzki utilise les films pour des préhenseurs de robots, des haut-parleurs, mais aussi pour des applications telles que le retour haptique sur les écrans de smartphones ou des textiles intelligents : par exemple dans le gant de travail intelligent qui, en tant qu'interface, indique à la technique comment la main et les doigts se déplacent à un moment donné.

À la foire de Hanovre, l'équipe de recherche cherche des partenaires avec lesquels elle pourra développer la technologie de la pompe pour la rendre utilisable en masse dans la pratique.

Contexte

La technologie des élastomères diélectriques fait également l'objet de recherches de la part de nombreux jeunes scientifiques dans le cadre de leurs travaux de master et de doctorat. Elle a fait l'objet de nombreuses publications dans des revues spécialisées et a été soutenue dans le cadre de plusieurs projets de recherche : entre autres par l'UE, la Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG, par le gouvernement du Land de Sarre dans le cadre des projets FEDER iSMAT, V-Pro Saar et Multi-Immerse, ainsi que par l'association de l'industrie métallurgique et électrique de la Sarre (ME Saar).

Afin de transposer les résultats dans la pratique industrielle, les chercheurs ont créé, à partir de l'université, l'entreprise mateligent GmbH, qui sera également représentée sur le stand sarrois de la foire de Hanovre.