Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren durch FEM-Simulationen

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1 Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren durch FEM-Simulationen Ernst Pletscher Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 1

2 Übersicht Kistler Gruppe Technologien Produktentwicklung Auslegung Motorendrucksensor Zusammenfassung Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 2

3 Kistler Gruppe Alles aus einer Hand Entwicklung und Produktion von Sensoren, Elektronik und Systeme zur Messung von Druck Kraft Drehmoment Beschleunigung Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 3

4 Kistler Gruppe Produkte Druck-, Kraft-, Beschleunigungs- und Drehmomentsensoren Systeme zur Analyse und Auswertung von Sensordaten Hauptsitz in Winterthur, Schweiz gegründet 1959 Sechs Produktionsstätten in CH, D, USA 1050 Mitarbeiter, 500 in Winterthur Umsatz 2011: 235 mchf Zusammenarbeit mit 50 Universitäten Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 4

5 Kistler weltweit Wetzlar (D) Corrsys-Datron 50 Mitarbeitende Stuttgart (D) Kistler Instrumente GmbH 64 Mitarbeitende Lorch (D) Kistler Staiger Mohilo 95 Mitarbeitende München (D) KT Automotive 23 Mitarbeitende Detroit (USA) Kistler Instrument Corp. 24 Mitarbeitende Japan (JP) Kistler Japan 36 Mitarbeitende Buffalo NY (USA) Kistler Instrument Corp. 69 Mitarbeitende Stuttgart (D) Kistler-IGeL O Produktionsgesellschaft O Continental Headquarter Winterthur (CH) Kistler Instrumente AG 500 Mitarbeitende 74 Mitarbeitende Kistler Gruppengesellschaften in 25 und Vertretungen in 30 Ländern Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 5

6 Technologie Vielfalt Piezoelektrische Messtechnik Messen mit Kristallen Piezoresistive Messtechnik Messen mit Siliziumkristallen, Mikromechanische Strukturen Dehnmesstechnik Dehnungsmessstreifen Kapazitive Messtechnik Mikromechanische Strukturen Optische Messtechnik Messen mit Licht Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 6

7 Technologie Piezoelektrische Sensoren Der Kristall, das Herz des Sensors Unterschiedliche Kristallschnitte für unterschiedliche Sensoreigenschaften Polystable-Schnitt y Transversalschnitt Longidudinalschnitt Schubschnitt y z Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 7

8 Technologie Der piezoelekrische Effekt Q Piezoelektrische Materialien erzeugen bei mechanischer Belastung auf ihren Prismenflächen positive und negative elektrische Ladungen. Im Ladungsverstärker wird diese Ladung in eine proportionale Spannung umgewandelt. unbelasteter Kristall belasteter Kristall F Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 8

9 Produktentwicklung Entwicklungsprozess Vereinfachter Entwicklungsprozess: Vorhandenes Know-how. Reine Festigkeitsuntersuchungen. Sensor-Neuentwicklung mit virtuellem Prototyp (idealer Zustand) CAD-Modell Simulation, Berechnung Prototype Serie Entwicklungsprozess mit zusätzlicher Validierung: Know-how muss erarbeitet werden. Vorhandenes Berechnungsmodell ist, auf Grund geänderter Abmessungen, nicht geeignet. Sensor-Neuentwicklung mit Abgleich der Berechnung durch Validierung (realer Zustand) CAD-Modell Simulation, Berechnung Prototype Versuche, Validierung Serie Abgleich Berechnungsmodell Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 9

10 Produktentwicklung Entwicklungsprozess CAX-Technologie Zeichnung Einzelteil 1 Zeichnung Einzelteil 2 Zeichnung Einzelteil. Modellerzeugung in Abaqus Modell Einzelteil 1 Modell Einzelteil 2 Modell Einzelteil. FEM-Berechnung Abaqus STEP-Schnittstelle CAM Pro/E CAD Modell Pro/E FEM Modell Sensitivitätsanalyse mit verschiedenen Iterationsschleifen FEM-Berechnung Mechanica Anpassung der Geometrie am ursprünglichen Modell Modell Marketing Zeichnungen Marketing Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 10

11 Produktentwicklung Entwicklungsprozess CAD-Daten mit unterschiedlichem Detailierungsgrad Dokumentationsdaten für Marketingunterlagen und technische Dokumentation Relevante Daten zur Herstellung der Sensoren Daten zur FEM-Berechnung Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 11

12 Produktentwicklung Entwicklungsprozess Optimierung der Sensoreigenschaften Erhöhung des Messbereichs Anpassung der Geometrie strukturmechanische Berechnungen. Erhöhung der Empfindlichkeit Anpassung von Material und/oder Geometrie strukturmechanische und piezoelektrische Berechnungen. Verbesserung von Beschleunigungsverhalten und Eigenfrequenz Anpassung von Materialien und/oder Geometrie strukturmechanische und piezoelektrische Berechnungen. Untersuchung des Montageprozesses auf die Sensoreigenschaften Anpassung im Herstellungsprozess strukturmechanische, thermische und piezoelektrische Berechnungen. Verbesserung des Verhaltens gegenüber thermischen Einflussgrössen Anpassung von Material und/oder Geometrie strukturmechanische, piezoelektrische und transient-thermische Berechnungen. Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 12

13 Auslegung Motorendrucksensor Festigkeitsberechnung Modell, Randbedingungen Spannungsverteilung (Vergleichsspannung) Druck 300 bar Einspannung Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 13

14 Auslegung Motorendrucksensor Lebensdauertest auf Druckprüfstand Dauerprüfstand Signalverlauf, Druck-Zeit-Diagramm P max. = 5000 bar, F max. = 5 Hz max. = 300 C P max. = 700 bar, F max. = 100 Hz max. = 300 C Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 14

15 Auslegung Motorendrucksensor Beschleunigungsempfindlichkeit und Eigenfrequenz Berechnung Beschleunigungsempfindlichkeit Einspannung Modell, Randbedingungen Berechnung Eigenfrequenz Einspannung Belastung 1g Resultate Messung der Querschnittskraft im Kristall da keine piezoelektrische Kopplung vorhanden Mode x: 105 khz Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 15

16 Auslegung Motorendrucksensor Ausmessen Eigenfrequenz Anregung des Sensors durch Minenbruch (Druckbleistift) Zeitsignal Frequenzspektrum Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 16

17 Auslegung Motorendrucksensor Messung des Thermoschocks Thermoschock Test Sensor Referenz Sensor Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 17

18 Auslegung Motorendrucksensor Ursache des Thermoschocks ( Quelle YouTube ) 50 W/cm W/cm 2 Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 18

19 Auslegung Motorendrucksensor Berechnung des Thermoschocks Modell Messzündkerze Typ 6115B Typ 6115B Kerzenstöpsel in den Körper Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 19

20 Auslegung Motorendrucksensor Berechnung des Thermoschocks Modell Motor Faryman Typ 6115B Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 20

21 Auslegung Motorendrucksensor Berechnung des Thermoschocks Ausmessen der Wärmestromdichte auf Versuchsmotor Dient als Grundlage für die FE-Berechnung des Thermoschocks Faryman Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 21

22 Auslegung Motorendrucksensor Berechnung des Thermoschocks - Ergebnisse Energiespeicherung in Form von Formänderung 260 C Mechanische Spannungen Mechanische Spannungen Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 22

23 Auslegung Motorendrucksensor Berechnung des Thermoschocks - Ergebnisse Energiespeicherung in Form von Formänderung 260 C Ladungen Thermoschock Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 23

24 Auslegung Motorendrucksensor Einflussgrössen für den Thermoschock Einfluss Fertigung Oberflächengüte, Abmessungen und Fertigungstoleranzen insbesondere der Membrane Materialspezifikationen Festigkeit (Streckgrenze), E-Modul, Wärmeausdehnungskoeffizient, spez. Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Werte auch in Abhängigkeit der Temperatur. Wärmeströme Einbauposition des Sensors, Art des Sensors (Schulterdichtend, Frontdichtend), Motordaten (Drehzahl, Leistung, Verdichtung etc.) Schweissprozess Schweissverfahren, Schweisstiefen, Prozessablauf. Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 24

25 Zusammenfassung Die Sensoroptimierung mittels FEM bringt fundamentale Vorteile: Kürzere Entwicklungszeiten mit tieferen E-Kosten. Neue Kundenanforderungen können in einer frühen Entwicklungsphase berücksichtigt werden. Qualität, inklusive Dauerhaftigkeit, lässt sich gezielt optimieren. Durch Sensitivitätsanalysen werden Kompetenz und Know-how sukzessive ausgebaut. Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 25

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