DuraAct Flächenwandler 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 oder Biegeaktoren.

Die aktive Schicht der DuraAct Flächenwandler besteht aus einer oder mehreren piezokeramischen Platten mit metallisierten Oberflächen zur elektrischen Kontaktierung. Diese Platten haben eine Dicke von typischerweise 200 bis 500 μm. Sie 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, wodurch völlig blasenfreie Laminate höchster Qualität entstehen.

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

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 gelötet, geklebt oder geklemmt werden können.

Piezokeramische Platten, die in vollkeramischen DuraAct Flächenwandlern zum Einsatz kommen, gleichen in ihrem Aufbau einem Kondensator. Die Keramik wirkt 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.

Transversaleffekt bei DuraAct Flächenwandlern, P: Polarisationsrichtung, E: Elektrisches Feld

Beim DuraAct Power Flächenwandler nutzt das Multilayer-Piezoelement den Longitudinal- oder d₃₃-Effekt. Die Auslenkung erfolgt parallel zum elektrischen Feld E und der Polarisationsrichtung P 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.

Longitudinaleffekt bei DuraAct Power Flächenwandlern, P: Polarisationsrichtung, E: Elektrisches Feld

Die Entstehung von akustischen Oberflächenwellen kann durch DuraAct Shear Flächenwandler umgesetzt werden. Die Scherbewegung des Flächenwandlers entsteht durch orthogonales Anlegen eines elektrischen Feldes E zur Richtung der Polarisation P. Die Scherdeformationskoeffizienten d₁₅ sind in der Regel die größten der piezoelektrischen Koeffizienten. Bei Ansteuerung mit den nominalen Spannungen erreichen die Piezokeramiken d₁₅(GS)-Werte bis 2000 pm/V. Die zulässige Ansteuerfeldstärke ist begrenzt, um ein Umpolen der senkrecht orientierten Polarisation zu vermeiden.

Scherauslenkung der DuraAct Shear Flächenwandlern, P: Polarisationsrichtung, E: Elektrisches Feld

Die elektrische Feldstärke der DuraAct Flächenwandler bestimmt die Auslenkung der Keramik und ermöglicht so 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. Eine Trennung der Sensor- und Aktorfunktionalität wird durch eine getrennte Kontaktierung mehrerer Schichten erreicht.

Typische hysteresebehaftete Spannungs-Dehnungskurve eines DuraAct Flächenwandlers

Die Reaktion auf eine Änderung des elektrischen Feldes oder auf eine Verformung erfolgt extrem schnell. Dadurch können Schwingungen bis in den Kilohertzbereich erzeugt oder gemessen werden. Je nach verwendetem aktivem 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.

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

Schematische Darstellung der Kenngrößenermittlung

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 Anwendungsfällen arbeitet der Aktor gegen eine elastische Struktur, etwa bei der Verformung einer Feder oder beim Verbiegen eines Blechs. Soll der Aktor beispielsweise eine Feder verformen, wird die Kennlinie der Feder mit der Steifigkeit c_F 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.

Wirkung eines Aktors gegen eine Federkraft

Aktoren der DuraAct Produktgruppe 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, etwa für Textilmaschinen, Drucker oder Ventile.

Da DuraAct Flächenwandler den piezoelektrischen Quereffekt nutzen, ziehen sie sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes gleichmäßig zusammen, wodurch sich der Biegewandler krümmt. 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 Zusammenhängen 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. Die Erstellung der beiden Diagramme erfolgte auf Basis zweier Substrate mit einer Länge von 50 mm aus unterschiedlichen Materialien, die mit einem DuraAct Flächenwandler des Typs P-876.A15 bestückt wurden. Zusammen mit dem Arbeitsdiagramm bilden die Diagramme der Biegewandler eine effektive Grundlage, um die Leistung und das Verhalten eines Aktors für einen spezifischen Einsatzfall abzuschätzen. Sie werden daher auf jedem Datenblatt angegeben.

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 Fläche der verwendeten Piezokeramik. Zur Abschätzung der mittleren elektrischen Leistung P_m wird neben der Kapazität des Wandlers die der Spannungshub und die Ansteuerfrequenz benötigt.

P_m = C · f · U_h²

f: Frequenz, U_h: Spannungshub

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

P_max = P_m ・ π