DuraAct Flächenwandler Technologie

Herstellung

Die aktive Schicht der DuraAct Flächenwandler besteht aus einer piezoelektrischen Platte. Diese Platten werden nach einem patentierten Verfahren in faserverstärkten Kunststoff (GFK) eingebettet und zu einem Komposit verbunden. Der Verbindungsprozess erfolgt in einem Autoklaven im Vakuum mithilfe eines Injektionsverfahrens. Dadurch entstehen völlig blasenfreie Laminate höchster Qualität.

Das Aushärtetemperaturprofil des Autoklaven ist so gewählt, dass eine definierte interne Vorspannung der Piezokeramikplatten aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien entsteht. Die Polymerummantelung des GFK dient gleichzeitig als elektrische Isolierung und als mechanische Vorspannung. Das Ergebnis dieser patentierten Technologie sind robuste, biegbare Wandlerelemente, die in großen Stückzahlen gefertigt werden können.


Vollkeramische oder Multilayer-Flächenwandler

Vollkeramische piezoelektrische Kontraktorplatten werden je nach aktiver Höhe in Presstechnologie (> 0,2 mm) oder Folientechnologie (0,05 bis 0,2 mm) gefertigt. Die vollkeramischen Wandler erfordern hohe Ansteuerspannungen von 250 bis zu 1000 V. DuraAct Power Flächenwandler basieren auf einem Multilayer-Piezoelement, wodurch die Betriebsspannung nur -20 bis 120 V beträgt. 


Funktionsprinzip

Piezokeramische Platten, die in vollkeramischen DuraAct Flächenwandlern zum Einsatz kommen, gleichen in ihrem Aufbau einem Kondensator. Die Keramik wirkt dabei als Dielektrikum zwischen den beiden metallisierten Oberflachen der Keramik, welche die Elektroden darstellen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung bildet sich ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien senkrecht durch die Keramik verlaufen. Dies bewirkt eine um 90° zu den Feldlinien versetzte Kontraktion der Keramik, sodass sich der Aktor gleichmäßig in der Ebene zusammenzieht. Dieses Verhalten wird als piezoelektrischer Quereffekt (d31- oder Transversal-Effekt) bezeichnet.

Beim Power DuraAct Flächenwandler nutzt das Multilayer-Piezoelement den Longitudinal- oder d33-Effekt. Die Auslenkung erfolgt parallel zum elektrischen Feld E und der Polarisationsrichtung des Piezoaktors. Die piezoelektrischen Ladungskoeffizienten d33 für die longitudinale Auslenkung sind deutlich höher als für die transversale Auslenkung, die erreichbaren Auslenkungen sind dementsprechend größer als für vollkeramische Wandler.

Die elektrische Feldstärke bestimmt dabei die Auslenkung der Keramik. Dies ermöglicht eine einfache Ansteuerung der Module. Durch eine unkomplizierte Klebung wird diese Verformung effektiv auf Strukturbauteile übertragen. Dabei erfolgt die Kraftübertragung flächig durch Schub und nicht an diskreten Punkten wie bei konventionellen Aktoren. Massive Krafteinleitungsstellen werden somit überflüssig. Umgekehrt werden Deformationen der Struktur durch den Wandler in elektrische Ladung umgesetzt, wodurch das Element als Sensor oder Energieerzeuger verwendet werden kann.

Die Reaktion auf eine Änderung des elektrischen Feldes oder auf eine Verformung erfolgt extrem schnell. Dadurch  können Schwingungen bis in den Kilohertzbereich erzeugt oder aber gemessen werden. Je nach verwendetem aktiven Piezoelement und dessen Abmessung ergeben sich für verschiedene Aktoren andere Werte in Bezug auf die Ansteuerspannung und Kontraktion. Der Zusammenhang zwischen Verformung und Ansteuerspannung ist nicht linear. 


Technologie

DuraAct Flächenwandler wirken sowohl als Sensoren mit variabler Bandbreite, die auf mechanische Verformung wie Stoß, Biegung oder Druck reagieren, als auch als hochpräzise Stellglieder / Biegeaktoren.

In der Regel besteht der Aufbau aus einer piezokeramischen Schicht mit metallisierten Oberflächen zur elektrischen Kontaktierung. Die piezokeramischen Folien haben eine Dicke von typischerweise 200 bis 500 μm, wobei auch noch dünnere Schichten möglich sind. Ohne weitere Bearbeitungsschritte sind diese Platten sehr bruchempfindlich und nur schwer zu handhaben. Das Einbetten in einen Polymerwerkstoff dient sowohl der elektrischen Isolierung als auch der mechanischen Stabilisierung. Das Ergebnis ist ein extrem robustes Modul, das dehnbar und verformbar ist.

Alternativ können die DuraAct Flächenwandler auch aus mehreren Keramikschichten aufgebaut werden, wodurch sich eine bessere Kraftwirkung (Effektivität) bei gleicher Betriebsspannung ergibt.

DuraAct Flächenwandler sind Festkörperaktoren und besitzen keine beweglichen Teile. Verschleiß und Störanfälligkeit der Wandler sind somit gering. Der elektrische Anschluss wird über zwei Kontaktstellen realisiert, an denen je nach Anwendung Leitungen gelotet, geklebt oder geklemmt werden können. Eine Trennung der Sensor- / Aktorfunktionalität wird durch eine getrennte Kontaktierung mehrerer Schichten erreicht. In diesem Fall ist der Wandler gleichzeitig als Sensor und Aktor einsetzbar.


Das Arbeitsdiagramm

Die aktorischen Eigenschaften piezokeramischer Wandler werden im Wesentlichen durch zwei Kenngrößen beschrieben: Die Blockierkraft (FB) und die freie Auslenkung (S0). Wird der unbehinderte (freie) Aktor mit einer Spannung U angesteuert, so erreicht er seine maximale Auslenkung S0. Die Kraft, die notwendig ist, den maximal ausgelenkten Aktor wieder auf seine ursprüngliche Lange zurückzudrücken, wird als Blockierkraft FBI bezeichnet.

Werden beide Kennwerte in ein Diagramm eingetragen und mit einer Linie verbunden ergibt sich das Arbeitsdiagramm des Aktors. Die Verbindungslinie wird als Arbeitsgerade bezeichnet. Aus dem Diagramm kann das Verhältnis der äußeren Kraft zur Auslenkung abgelesen werden. In den meisten Anwendungsfallen arbeitet der Aktor gegen eine elastische Struktur, etwa bei der Verformung einer Feder oder beim Verbiegen eines Bleches. Soll der Aktor beispielsweise eine Feder verformen, wird die Kennlinie der Feder mit der Steifigkeit cF in das Arbeitsdiagramm eingetragen. Der Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der Kennlinie bezeichnet den Arbeitspunkt. Am effektivsten arbeitet der Aktor, wenn der Arbeitspunkt auf der Mitte der Arbeitsgeraden liegt.


Biegewandler – Kenngrößen

Aktoren der DuraAct Familie werden in der Regel auf eine Struktur aufgeklebt und übertragen die Dehnung nicht punktuell, sondern flächig über eine Klebeschicht. In einer solchen Konfiguration arbeitet der Aktor als Biegewandler. Biegewandler werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, bei denen es auf eine schnelle, präzise und reproduzierbare Hubbewegung ankommt. Beispiele dafür sind Textilmaschinen, Drucker oder Ventile.

Da DuraAct Flächenwandler den piezoelektrischen Quereffekt nutzen, ziehen sie sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes gleichmäßig zusammen. Dadurch krümmt sich der Biegewandler, wie in der Grafik dargestellt. Die Krümmung des ungehinderten, freien Biegewandlers wird als freie Auslenkung W0 bezeichnet. Die Kraft, die benötigt wird, um die freie Auslenkung auf null zu reduzieren, ist die Blockierkraft des Biegewandlers FBW. Diese Kraft FBW ist deutlich geringer als die Blockierkraft FB des freien Wandlers. Analog zu den zuvor beschriebenen Zusammenhangen kann mit diesen beiden Kennwerten das Arbeitsdiagramm des Biegewandlers erstellt werden.

Um die freie Dehnung W0 und die Blockierkraft FBW abzuschätzen, können Diagramme verwendet werden, die beispielhaft die erreichbaren Auslenkungen und Kräfte in Abhängigkeit von der Dicke und Steifigkeit des verwendeten Substrats zeigen.  Zur Erstellung der beiden Diagramme wurden Substrate mit einer Länge von 50 mm aus unterschiedlichen Materialien zugrunde gelegt, welche mit einem DuraAct Flächenwandler des Typs P-876.A15 bestückt sind. Zusammen mit dem Arbeitsdiagramm bilden die Biegewandlerdiagramme eine effektive Grundlage, um die Leistung und das Verhalten eines Aktors für einen spezifischen Einsatzfall abzuschätzen. Sie werden daher auf jedem Datenblatt angegeben.


Leistungsbedarf

Zur Abschätzung der zum Betrieb eines Aktors notwendigen elektrischen Leistung spielt die Kapazität des Wandlers eine wesentliche Rolle. Typische Kapazitätswerte von DuraAct Flächenwandlern liegen im Nanofarad-Bereich und werden jeweils in den Datenblättern angegeben.

Die Kapazität C ist dabei abhängig von Typ, Dicke und Flache der verwendeten Piezokeramik. Zur Abschätzung der mittleren elektrischen Leistung Pm wird neben der Kapazität des Wandlers die der Spannungshub und die Ansteuerfrequenz benötigt.

Pm = C · f · Uh2

f: Frequenz

Uh: Spannungshub

Der maximale Leistungsbedarf Pmax 
ergibt sich aus der Multiplikation mit der Kreiszahl (π):

Pmax = Pm ・ π