FEINWERKTECHNISCHE KONSTRUKTIONEN MIT PIEZOKERAMIKEN

Transkript

1 FEINWERKTECHNISCHE KONSTRUKTIONEN MIT PIEZOKERAMIKEN Thomas Rödig

2 GLIEDERUNG Einleitung Beispiele feinwerktechnischer Konstruktionen Aktorik Sensorik Generatoren Zusammenfassung

3 Einleitung Anwendungsgebiete der Piezokeramik Sensorik: Beschleunigung Kraft Generatoren: Funkengenerator Batterieersatz Ultraschall: Bildgebende Verfahren Leistungsultraschall Original: Pi Ceramic Bild: T. Rödig Aktorik: (Präzisions-) Stelltechnik hochdynamische Kräfte

4 Piezoelektrischer Effekt (Sensoren, Generatoren) A 2+ Ion O 2- Ion U=0V B 4+ Ion Mittelebene U=0V gebundene Ladungsträger Freie Ladungsträger U>0V Mechanische Belastung Laterale Ausdehnung Kontraktion U>0V Original: Pi Ceramic Bild: T. Rödig

5 Inverser piezoelektrischer Effekt (Aktoren) A 2+ Ion O 2- Ion U=0V B 4+ Ion Mittelebene U=0V gebundene Ladungsträger Freie Ladungsträger Ausdehnung Original: Pi Ceramic Bild: T. Rödig U>0V Laterale Kontraktion U>0V

6 Einleitung Arbeitsbereiche S D = s d E d T ε T E Sensorik / Generatoren : Spannung: d U F g ε F Ladung: Q d [nc] T T F [V] Permittivität ε r : Nachgiebigkeit s E : [10-12 m²/n] Piezoelektrische Ladungskonstante d: [pc/n] Original: Pi Ceramic Bild: T. Rödig Aktorik: d E Kraft: F U e U [kn] E s Auslenkung: ξ d U [µm, ] RÖDIG, THOMAS, ANDREAS SCHÖNECKER und GERALD GERLACH: A Survey on Piezoelectric Ceramics for Generator Applications. Journal of the American Ceramic Society, 93(4): , 2010.

7 Einleitung Beispiele aus der Technik Aktor im Dieseleinspritzventil Piezokeramisches Element: 7x7 mm² x 30 mm z.b. Ceramtec SONOX P505 Auslenkung: 40 µm Funkengenerator im Feuerzeug Piezokeramische Elemente: 2x2 mm² x 5mm (2x) z.b. Ceramtec SONOX P5 Ausgangsspannung: > 10 kv Bild: T. Rödig Original: Continental Bild: T. Rödig Original: Pi Ceramic Bild: T. Rödig

8 GLIEDERUNG Einleitung Beispiele feinwerktechnischer Konstruktionen Aktorik Feinwerktechnische Keramik Metall Interfacestrukturen Wegverstärkungselemente Technologische Integration Sensorik Generatoren Zusammenfassung

9 Aktorik Interface Keramik Struktur Problem 1: Ausfall der spröden Piezokeramik unter Fehlbelastung (Zug, Torsion) Lösung 1: Feinwerktechnische Interfacestruktur Stößel Stutzen Tellerfeder Stift Scheibe Hülse Aktor Schnetter, Jens, Beanspruchungsgerechte Auslegung intelligenter Strukturen mit piezoelektrischen Bauelementen. Dresden, Technische Universität / Fraunhofer IKTS, Diplomarbeit, 2005

10 Aktorik Interface Keramik Struktur Problem 2: komplexe feinwerktechnische Interfacestrukturen Lösung 2: Umspritzen metallische Endkappen mit Polymer

11 Aktorik Interface Keramik Struktur mit Wegverstärkung a 1 /2 +h 1 /2 Idee: Differentialanordnung zweier Aktoren mit Hebelübersetzung a 2 -h 1 /2 -Drehpunkt S theor Auslenkung [µm] Umax=100V Umax=80V Umax=60V Umax=40V Kraft [N]

12 Aktorik Kompositaktoren Schadenstolerante Anordnung der Piezokeramik S 1 l E 3 d 31 t b Kooperation : S 1 A. Steinmeyer GmbH & Co. KG

13 Aktorik Piezokeramische Dickschichten Deformierbare Spiegel zur Laserstrahlformung Verschiebung von Wellenfronten von Hochleistungs-Lasern 2kV/mm: 45 µm Resonanzfrequenz: 1.45 khz Alle Elemente, E = 0.75 kv/mm Mittleres Element, E = 0.75 kv/mm Ein äußeres Element, E = 0.75 kv/mm

14 Aktorik Piezokeramische Dickschichten Segmentierte verformbare Spiegel für große erdstationäre Teleskope

15 Aktorik Piezokeramische Dickschichten Ausgleich von atmosphärischen Störungen Toleranzen / Temperatureinflüsse

16 Aktorik Pumpen und Ventile Piezoelektrische Pumpe mit aktiven Ventilen Steife Ventileklappe hohe Arbeitsfrequenz Vorwärts- / Rückwärtspumpen Einfachere Konstruktion Pumpenlayer Ventillayer Lobe, Jürgen: Piezoelektrische Mikropumpe mit aktiven Ventilen. Dresden, Technische Universität / Fraunhofer IKTS, Diplomarbeit, 2011

17 Aktorik Pumpen und Ventile Piezoelektrische Pumpe mit aktiven Ventilen Deutlich höhere Förderleistungen möglich Definiertere Fördermenge Lobe, Jürgen: Piezoelektrische Mikropumpe mit aktiven Ventilen. Dresden, Technische Universität / Fraunhofer IKTS, Diplomarbeit, 2011

18 GLIEDERUNG Einleitung Beispiele feinwerktechnischer Konstruktionen Aktorik Sensorik Technologische Integration Generatoren Zusammenfassung

19 Sensorik Piezoelektrischer Sensor Hochlastkraftsensor Steife Stützstruktur (Al 2 O 3 ) Piezokeramik im Kraftfluss Nutzung der Elektronik AVT kraftproportionale Sensorspannung [V] HLKS-SWAC 2nd Generation (max. Kraft 15kN) y = x Messsignal 1.5 Linear (Messsignal) kraftproportionale Referenzspannung [V] (Kistler)

20 Sensorik Piezokeramische Dickschichten Hochlastkraftsensor Steife Stützstruktur (Al 2 O 3 ) PZT-Dickschicht im Runddruckverfahren Piezokeramik nicht im Kraftfluss (Verformungsmessung) Nutzung der Elektronik AVT

21 GLIEDERUNG Einleitung Beispiele feinwerktechnischer Konstruktionen Aktorik Sensorik Generatoren Zusammenfassung

22 Generatoren Daumendruckgenerator W mech = 100 mnm (DIN- Norm für Schalter: 10 N und 10 mm) W el = 325μWs η = 3,25 (!) aber η = 3,2*10-4 (nur Piezo)

23 Generatoren Daumendruckgenerator Anwendung Kabellose Funklichtschalter Nachträglicher Einbau Flexible Schalterbelegung Grundfunktion 868 MHz Funkmodul Einwegkommunikation (sehr kurzes Informationspaket)

24 Generatoren mit kontinuierlicher Anregung Sinusförmige Anregung Grundfunktion Anzeige Temperaturmessung

25 Generatoren CoolSilicon Das Projekt Cool Sensor Net wird als Teil des Spitzenclusters "Cool Silicon" im Rahmen des Spitzencluster-Wettbewerbs des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Flugzeuge der nächsten Generation (Kohlefaser-Verbund-Werkstoffe) Beispiele: Boeing Dreamliner Airbus A350 Herausforderung: Strukturüberwachung Lebensdauer 30 Jahre

26 Generatoren CoolSilicon Sinusförmige Anregung Strömungsabriss an der Außenhaut f R > 500 Hz 1 g 1 µm Amplitude Dreieckiger Biegeschwinger 10 mm x 30 mm Generator P max [µw] U [V] I [µa] Einzelelement Vier Elemente

27 Zusammenfassung Vielseitige Anwendungsfelder der Piezokeramik Sensoren, Aktoren, Generatoren und Ultraschall Interessante Eigenschaften (geringe Auslenkung und hohe Kräfte) erfordern spezielle feinwerktechnische Konstruktionen Trend zur stärkeren technologischen Integration Komposite Dickschichttechnik