Von der Piezokeramik zum Piezokomposit

Frank Möller, PI Ceramic GmbH / Dr. Peter Wierach, DLR

PI Ceramic: Piezotechnologie

Gegründet 1992 als Tochter von Physik Instrumente (PI) Firmensitz in Lederhose, Thüringen 200 Mitarbeiter

Physik Instrumente (PI): Piezo Nano Positioning

Gegründet 1977, Ursprünge in den 60‘er Firmensitz in Karlsruhe >700 Mitarbeiter weltweit, davon >330 in KarlsruheMarktführer im Bereich Nano- und Mikropositionierung

PI Ceramic Produktportfolio Piezokeramische Materialien

• Harte Materialien für dynamische und Leistungsanwendungen

• Weiche Materialien, hohe d-konstanten und elektro-mechanische Kopplung

• Bleifreie Werkstoffe

Piezokeramische Komponenten

Scheiben, Platten, Ringe, Rohre, beliebige Formen

Piezoaktoren

PICMA® Multilayer Translatoren und Biegeelemente

PICA Stapel-Aktoren und Schermodule

Ultraschallwandler / Transducer

DuraAct Patch Transducer

Aktor- und Sensor-Elemente

Aktor- und Sensor-Subsysteme

Komplexe mehrachsige Positionier-systeme inkl. Elektronik und Software

Einzigartige vertikale Integration

Kunde

Anwendung

Der Piezoeffekt

Direkter Piezoeffekt:Mechanische Krafteinwirkung auf das Piezoelement führt zu einer messbaren Ladungsverschiebung

Bandbreite von mehreren Kilohertz Sensitiv für sub-milliNewton Kraftänderung Als Sensor für Kraft, Druck, Beschleunigung Für Schwingungsmessung, Structural Health Monitoring, Adaptronik

Der Piezoeffekt

Inverser Piezoeffekt:Mit dem Anlegen eines elektrischen Feldes dehnt sich der piezokeramische Aktor aus

SchnellAnsprechzeiten von wenigen MikrosekundenEinschwingzeiten auf Nanometer-Genauigkeit von wenigen

Millisekunden (mit PI Steuerung)Schwingungsfrequenzen bis zu mehreren Kilohertz

HochauflösendNanometer PositionsauflösungLinearität von <0,1% der Schrittweite (mit PI Steuerung)

Für Schwingungs- und Krafterzeugung sowie für die Präzisionsstelltechnik (Nanopositionierung)

Fertigung im Griff

Alle Prozessschritte im Haus, direkte Einflussnahme auf die Fertigungsparameter für schnelles Prototyping

Cofiring-Technologie für PICMA® Multilayer-Aktoren

Siebdruck oder Sputterverfahren für die elektrische Kontaktierung

Automatisierte Fertigung für mittlere und Großserien

Hohe Anforderungen an Dynamik, Zuverlässigkeit und Flexibilität: Märkte für PIC

Pumpen und Ventile

Medizingeräte

Halbleiterindustrie

Präzisionsbearbeitung

Schwingungsisolierung

Mikroskopie, Biotechnologie

Sensorik

Aktive Strukturen, Adaptronik

Photonik, Telekommunikation

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Die Anfänge der Zusammenarbeit DLR und PI Ceramicca. 1994 ff.

Aktive Streben mit integrierten PICA™-StapelaktorenGeplante Anwendung: Triebwerksaufhängung Turboprop

DuraAct™ Technologie

Piezokeramik- Ideale Energiewandlung ohne bewegte Teile

ABER

Keramik ist spröde und empfindlich

schwierige Verarbeitung im industriellen Maßstab

Lösung:

Einbettung der Piezokeramik mit duktilem Polymerwerkstoff

Schutz der Keramik

kompakte, gut handhabbare Bauteile

große passive Verformungen der Keramik möglich

hohe Lebensdauer

Integration weiterer funktionaler Komponenten möglich

DuraAct™ Technologie

Bulk- und Multilayer-Piezokeramik

Piezokomponenten & Aktoren (PICMA®)

Patentierte DuraAct™ Aufbau und Verbindungstechnologie

Hohe Flexibilität für kundenspezifische Lösungen und Subsysteme

extrem robust, biegbar und zuverlässig

Injektions- und Autoklavprozeßwerden geregelt und überwacht

250 g

DuraAct-Patch-Aktoren

Strukturdämpfung Konturformung (Contour Shaping) Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring) Elektrische Energieerzeugung (Energy Harvesting)

DuraAct-Patch-Aktoren

d31 (Transversal) –Aktoren P-876 Serie

Patentierte Lösung (DLR) aktive Keramikdicken(0,1…0,5 mm) Verschiedene Ansteuerspannungen und Kräfte Einsatztemperaturen -20 °C … +150°C Sondergeometrien / -aufbauten für Serienapplikationen

realisierbar Typische Anwendungen in Schwingungsdämpfung,

Geräuschminimierung, Struktur-Schadensüberwachung, autarke Energieerzeugung, etc.

DuraAct™ Applikationen

Actuator Mode

Harvesting Mode

Structural Health Monitoring

Sensor Mode

Neue Flächenwandler, gemeinsam entwickelt am DLR, bei Invent und PI (aktuelle PI-Presse-Info 09/2013)

DuraAct Power: Kompositwandler mit Multilayer-Keramik nutzt den effizienten d33-Effekt

PI Ceramic stellt die jüngste Entwicklung aus dem Bereich der Piezokomposite vor: P-878 DuraAct Power. Der Flächenwandler verwendet eine Betriebsspannung von nur -20 bis 120 V und ist damit auf dem Weltmarkt einzigartig.

Wie alle DuraAct Wandler kann der P-878 als Aktor, Sensor oder für Energy Harvesting eingesetzt werden. Die aktive Schicht des Flächenwandlers besteht aus einem Multilayer-Piezoelement, das nach einem patentierten Verfahren in

faserverstärkten Kunststoff eingebettet ist. Bei der Auslenkung nutzt der DuraAct Power den hocheffizienten d33-Effekt. Die Herstellung der Komposite erfolgt durch blasenfreies

Injektionsverfahren. Die Polymerummantelung dient gleichzeitig als elektrische Isolierung und als mechanische Vorspannung, so dass der P-878 biegsam ist.

d33-Effekt: Was steckt im DuraAct Power?

Bisherige vollkeramische Wandler erfordern hohe Ansteuerspannungen von 250 bis zu 1000 V. Sie nutzen die laterale Kontraktion des Piezoelements beim Anlegen einer elektrischen Spannung, den sogenannten Transversal- oder d31-Effekt.

Die Multilayer-Flächenwandler nutzen dagegen den Longitudinal- oder d33-Effekt, bei dem die Auslenkung parallel zum elektrischen Feld E und der Polarisationsrichtung des Piezoaktors erfolgt.

Die piezoelektrischen Ladungskoeffizienten d33 für die longitudinale Auslenkung sind deutlich höher als für die transversale Auslenkung, die erreichbaren Auslenkungen sind dementsprechend größer.

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Ausgangspunkt (Vorarbeiten am DLR)

a) b) c) d) e) f)

DuraAct Power

DuraAct PowerKonfigurationen in Vorbereitung

D31 Mode

D33 Mode

DuraAct Power

DuraAct PowerKonfigurationen in Vorbereitung

DuraAct33 ist ein neues Produkt, das es bisher nicht auf dem Markt gibt

Kein konkurrierender Flächenaktuator kann den d33-Effekt bei diesen geringen Spannungen nutzen

DuraAct33 und DuraAct31 sind zum großen Teil komplementäre Produkte die sich hinsichtlich ihres Eigenschaftsprofils ergänzen

DuraAct Power wird daher den Markt vergrößern und nicht nur den DuraAct31 substituieren

DuraAct 31 vs. DuraAct 33

DuraAct 31 vs. DuraAct 33

DuraAct 31 DuraAct 33 (Power)

Performance + ++++Abmessungen +++ +Robustheit +++ +++Flexibilität +++ ++(Preis) +++ +

DuraAct Power in der Anwendung( “Leuchtturm“-Projekte )

Beispiel 2: Active Twist Blade (Projekt mit Eurocopter)

Beispiel 1: Adaptive Ausblaslippe für Hochauftriebssysteme (SFB 880)

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Frank Möller

PI Ceramic GmbHLindenstraße07589 Lederhose

Tel. +49 36604 882-0Fax +49 36604 882-25info@piceramic.dewww.piceramic.de

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