Prototyping van PLA gebaseerde piëzo-elektrische μ-energie generatoren - Fase1

Het BIOHARV-consortium ontwikkelde functionele prototypen die toelaten om de piëzo-elektrische eigenschappen van PLA te benutten voor μ-energieopwekking. Dit werd verwezenlijkt door de assemblage van PiëzoPLA structuren met elektroden en prototypes gebaseerd op gelijmde [PiëzoPLA/Cu-elektrode/rigide drager/isolator]-structuren werden getest. De energieprestaties onder cyclische mechanische belasting zijn momenteel kwantificeerbaar en vormen de basis voor toekomstige materiaal-, proces-, structuur- en ontwerpoptimalisatie.

6 mei 2019

#

Productie van PiëzoPLA en de eerste prototypen

In het BIOHARV-project werd eerder de productie van poly(L-lactide) (PLA) films (via extrusie-kalanderen en monoaxiale verstrekking in de machine richting) onderzocht. Op basis van deze productietesten werden films van de PLA-grade L130 (Total-Corbion, hier verder aangeduid als PiëzoPLA) met verstrekkingsgraad 5 geselecteerd vanwege de hoge piëzo-elektrische eigenschappen (d14 = 3,3 pC/N). Het afzetten van elektroden op deze mono-verstrekte dunne PiëzoPLA films is een cruciale stap voor het bekomen van functionele piëzo-elektrische μ-energiegenerator prototypes. Deze elektroden werden initieel op laboschaal afgezet door middel van een aerosol op basis van zilverdeeltjes. De hoge kosten en de beperkte duurzaamheid van dit type elektrode vereisten echter de ontwikkeling van een nieuwe aanpak. In deze context werd geopteerd voor een koper-gebaseerd, geleidend adhesief omwille van de lagere materiaalkosten en de eenvoudige toepassing op PiëzoPLA films. In Figuur 1 worden enkele verwezenlijkingen weergegeven. De prototypen werden opgebouwd door de tegenoverliggende buitenvlakken van de PiëzoPLA film te bedekken met koperen elektroden. Daarnaast werden ze voorzien van isolatie en verbindingsstukken om gemakkelijk te kunnen hanteren, om de ladingen geproduceerd door het piëzo-elektrisch effect te kunnen afvoeren en om energetische testen te kunnen uitvoeren. Het oppervlak van de elektroden is ongeveer 2-3 cm². Het piëzo-elektrisch effect kon duidelijk worden gedemonstreerd door toepassing van een afschuifkracht op de film. Hierbij werd een spanning ontwikkeld in de grootteorde van 80 mVcc. Dit eerste prototype toont aan dat de montage van [PiëzoPLA/Cu-elektrode/isolatielaag]-structuren door middel van geleidende adhesieven een interessante piste is met een relatief korte productietijd en goede mechanische sterkte.

Figuur 1: Eerste prototype van een piëzo-elektrische μ-energiegenerator samengesteld door koperen elektroden gelijmd op een PiëzoPLA film (geïsoleerd door middel van een extra adhesief, met connectoren, een elektrode oppervlak van 2-3 cm², maximale spanning ong. 80 mVcc).

Realisatie van functionele prototypes

Na deze eerste experimenten heeft het BIOHARV-consortium nieuwe gelijmde prototypes vervaardigd met elektroden van grotere omvang en met een vaste drager. Deze rigide ondersteuning garandeert een uniforme vervorming van het actieve piëzo-elektrische element en laat meer complexe vervormingen (torsie, flexie, etc.) toe. Figuur 2 toont prototypes met een ABS-drager dewelke actief zijn bij torsie- of flexiekracht onder een hoek van 45° ten opzichte van de verstrekkingsrichting van de PiëzoPLA film. Het elektrodeoppervlak werd vergroot tot 63 cm² om de geproduceerde spanning te verhogen tot waarden in de orde van 2 Vcc. Er werden ook testprototypes vervaardigd met oppervlakken tot 150 cm² voor een maximale energie-recuperatie in flexie van ongeveer 7 Vcc. Het productieproces van deze prototypen wordt gedetailleerd weergegeven in Figuur 3. De PiëzoPLA-films worden onder een hoek van 45° gelijmd om het afschuivingspiëzo-elektrisch effect van PLA optimaal te benutten. Dit type [PiëzoPLA/Cu-elektrode/rigide drager/isolator]-structuur werd uiteindelijk geselecteerd voor toekomstige experimenten binnen het BIOHARV-project. Daarnaast werden ook verschillende prototypen vervaardigd op basis van PiëzoPLA textieltapes en -filamenten.

Figuur 2: Piëzo-elektrische μ-energiegenerator prototypes op een vaste drager met groter elektrode-oppervlak (oppervlakte van de elektroden 62 cm², maximale spanning ong. 2 Vcc in torsie/flexie-45°) – https://www.youtube.com/watch?v=hBsGoll_kCUXXX

Figuur 3: Productieproces van μ-energiegenerator-prototypen op een stijve drager met verhoogd elektrodeoppervlak (PiëzoPLA aangebracht onder een hoek van 45°, 150 cm² elektrodenoppervlak, maximale spanning 7 Vcc bij buiging). Verschillende prototypen gebaseerd op mono-georiënteerde dunne films, textieltapes en -filamenten op basis van PiëzoPLA.

Elektromechanische karakterisering van prototypen

Voor het uitvoeren van kwantitatieve energiemetingen op deze μ-energiegenerator prototypen, dienen gecontroleerde cyclische vervormingen te worden toegepast. De variabelen die hierbij van belang zijn, zijn de mate van vervorming en de frequentie van belasting. Hiervoor werden hydraulische, cyclische tractie/compressiemachines gebruikt en werden er voor de BIOHARV-prototypen bevestigingssystemen ontworpen om energiemetingen uit te voeren bij buigvervorming. Figuur 4 toont het apparaat dat gebruikt wordt voor het produceren van een gecontroleerde sinusoïdale buigvervorming alsook het gemeten elektrische signaal dat eveneens perfect sinusoïdaal is. De afschuivingspiëzo-elektrische eigenschappen van PiëzoPLA werden aangetoond door de anisotropie van het signaal dewelke een functie is van de oriëntatie van het prototype ten opzichte van de buigvervorming.

Figuur 4: Recuperatietesten/μ-generatie van energie onder gecontroleerde cyclische buigvervorming met behulp van een hydraulisch tractie/compressietoestel - https://youtu.be/IPfkrZjsXwA

De elektromechanische/energetische prestaties onder cyclische buigvervorming werden gemeten in functie van de opgelegde maximale deflectie en frequentie van belasting. Zowel de RMS-spanning gemeten aan de klemmen van het prototype als het geleverde vermogen nemen toe met de deflectie en de frequentie (Tabel 1). Bij cyclische buigvervorming werden de beste resultaten verkregen voor een deflectie van 5 mm en een frequentie van 5 Hz wat overeenkomt met de maximale mogelijkheden van de hydraulische machine. Onder deze omstandigheden werd een maximale spanning van 164 mV bereikt voor een vermogen van ongeveer 26 nW (vermogensdichtheid in de orde van 380 pW/cm²). Ter vergelijking werden ook de vermogensdichtheden onder cyclische trekspanning opgemeten, deze worden weergegeven in Tabel 2. Deze metingen worden uitgevoerd met een kleiner prototype wat mechanische vervormingen tot 20 Hz en 1% rek toelaat. Hoewel een directe vergelijking met de buigproeven niet mogelijk is, zijn de elektrische vermogens geleverd onder cyclische trekspanning hoger met vermogensdichtheden tot 206 nW/cm². Op dit moment blijft PiëzoPLA dus een piëzo-elektrisch materiaal met relatief lage prestaties, maar geavanceerde formulaties met verbeterde piëzo-elektrische eigenschappen worden binnenkort verwacht. De duurzaamheid van de assemblages, de robuustheid van de assemblageprocessen en het ontwerp van de prototypen zijn ook mogelijkheden om verder te onderzoeken.

Tabel 1 : De RMS-spanning en het elektrisch vermogen geleverd door de prototypen onder cyclische verbuiging in functie van de opgelegde deflectie en de frequentie (afstand tussen de steunen 7 cm, breedte van het prototype 10 cm)

Maximale deflectie (mm)

RMS spanning @ 5Hz (mV)

RMS spanning @ 10Hz (mV)

RMS spanning @ 20Hz (mV)

2

42

80

132

3

116

138

n.m

5

164

n.m

n.m

Maximale deflectie (mm)

Vermogen @ 5Hz (nW)

Vermogen @ 10Hz (nW)

Vermogen @ 20Hz (nW)

2

2

6

17

3

13

19

n.m

5

26

n.m

n.m


Tabel 2 : Vermogensdichtheid geleverd door de prototypes onder cyclische trekspanning in functie van de vervorming en frequentie (lengte van het prototype 4 cm, breedte 0,4 cm)

Vervorming (%)

Vermogen @ 5Hz (nW/cm²)

Vermogen @ 10Hz (nW/cm²)

Vermogen @ 20Hz (nW/cm²)

0,25

0,5

1,1

6,3

0,5

1,4

5,6

37,5

1

5,3

26,3

206

Conclusies en perspectieven

Volgend op het onderzoek naar de implementatie van PiëzoPLA, realiseerden de BIOHARV-partners μ-energiegenerator prototypes steunend op het afschuivingspiëzo-elektrisch effect van PiëzoPLA. De gelijmde [PiëzoPLA/Cu-elektrode/rigide drager/isolator]-constructie blijkt een veelbelovende manier om functionele prototypes te realiseren en het concept van μ-energieproductie door mono-georiënteerde PiëzoPLA films te demonstreren. De aansluitingen kunnen eenvoudig worden geïntegreerd en het gebruik van een stijf substraat garandeert een homogene vervorming van de PiëzoPLA. De procedures voor het testen van μ-energiegeneratie onder cyclische vervorming werden gevalideerd voor de BIOHARV-prototypen. Het vermogen gegenereerd onder buigvervorming blijft gering, maar er zijn verschillende strategieën die kunnen onderzocht worden om de PiëzoPLA-formuleringen, -productieprocessen en het/de prototypeontwerp/structuur te optimaliseren.