DuraAct™ – Piezoelektrische Flächenwandler für Industrie und Forschung

Adaptronik – Industrielle Anwendungen der Zukunft

Für die moderne Industrie nimmt die Entwicklung selbstanpassender, adaptiver Systeme zunehmend größeren Raum ein. Immer wichtiger werden dabei intelligente Werkstoffe, so genannte „Smart Materials“, die sowohl sensorische als auch aktorische Eigenschaften besitzen. Damit stellen sie geänderte Umfeldbedingungen wie zum Beispiel Stoß-, Druck- oder Biegebeanspruchungen fest und reagieren darauf.

Zu den adaptiven Werkstoffen gehören bereits seit längerer Zeit Piezoaktoren, die vor allem in der Überwachung und aktiven Dämpfung von hochfrequenten Schwingungen eingesetzt werden. Eine kompakte Lösung bieten die neuartigen piezoelektrischen DuraAct™ Flächenwandler.

Unmittelbar auf einem Substrat angebracht oder strukturell integriert, erkennen und erzeugen sie Vibrationen oder Konturverformungen im Bauteil selbst. Die Größe der Verformung ist dabei stark von den Substrateigenschaften abhängig und geht bis in den Millimeterbereich.

Piezoelektrische Multitalente: DuraAct™ Flächenwandler

Als piezoelektrische Bauelemente überführen die DuraAct™ Flächenwandler (auch Patch Wandler oder Patch Transducer) elektrische Spannung in mechanische Energie und umgekehrt. Sie können sowohl als Biegewandler, präzise Stellglieder, hochdynamische Sensoren oder auch als Energieerzeuger eingesetzt werden.

DuraAct™ Flächenwandler sind extrem kompakt. Grundlage ist eine dünne piezokeramische Folie, die mit elektrisch leitendem Material zur elektrischen Kontaktierung bedeckt und anschließend in einen duktilen Polymerverbundstoff eingebettet wird. Die an sich spröde Piezokeramik wird dadurch mechanisch vorgespannt und elektrisch isoliert und ist so robust, dass sie sogar auf gekrümmten Oberflächen mit Biegeradien bis zu 20 mm aufgebracht werden kann. Die Wandler werden einfach auf das entsprechende Substrat aufgeklebt und können so für vielfältige Einsatzmöglichkeiten genutzt werden.

Auch bei hoher dynamischer Belastung stellt die Bauweise eine hohe Schadenstoleranz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von über 10⁹ Zyklen sicher. Verschleiß und Störanfälligkeit sind sehr gering, da die Wandler als Festkörperaktoren keine beweglichen Teile enthalten.

Kundenspezifische Ausführungen für jede Anwendung

Die Konzeption der DuraAct™ Technologie erlaubt eine flexible Gestaltung der Wandler. Dadurch wird die DuraAct™ Technologie auch für Forschung und Prototyping interessant. Neben einem Angebot von Standardkomponenten können individuelle und maßgeschneiderte Bauformen nach Kundenwunsch realisiert werden. Die Wandler können so an geometrische Randbedingungen, Anforderungen an Flexibilität und Biegsamkeit oder verschiedene Umgebungstemperaturen angepasst werden.

DuraAct™ Flächenwandler werden in der Regel aus einer piezokeramischen Schicht aufgebaut. Alternativ können jedoch auch mehrlagige Elemente angeboten werden. Bei gleich bleibender Betriebsspannung wird so die Kraftwirkung beim Einsatz als Aktor gesteigert. Bei einer getrennten Kontaktierung der einzelnen Schichten bietet sich die Möglichkeit, eine Schicht sensorisch und die andere aktorisch zu nutzen. In diesem Fall ist der Wandler zeitgleich als Aktor und Sensor einsetzbar. So ist es möglich, die Wandler gezielt an eine Aufgabe anzupassen oder ganze Modulfelder aus mehr als einer Keramik herzustellen. Diese spezifischen Produkte sind schon bei einer geringen Stückzahl effektiv umsetzbar.

Maßgeschneiderte Steuerelektronik

Abhängig von der Applikation stellen sich unterschiedliche Anforderungen an die Elektronik. So ist beispielsweise für den Einsatz als hochdynamische und äußerst präzise Stellglieder eine rauscharme und breitbandige Verstärkerelektronik nötig. Die aktive Vibrationsdämpfung wiederum erfordert eine schnelle Regelung mit angepassten Bandbreiten, damit in enger Kopplung mit der Masse der zu dämpfenden Konstruktion ein definierter zeitlicher Kraftverlauf erzeugt wird. PI bietet die passenden hochauflösenden Verstärkermodule für DuraAct™ Flächenwandler, wobei eine Anpassung an die anwendungsspezifischen Erfordernisse jederzeit möglich ist.

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