DuraAct Flächenwandler Technologie

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 Oberflächen 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. 

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 F_BW. Diese Kraft F_BW ist deutlich geringer als die Blockierkraft F_B 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 F_BW 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.