stellkraft-stellzeit wichtiger aktoren · 2013. 2. 8. · prof. a. büngers ss 2012 aktorik:...
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 1
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Unkonventionelle - Aktoren
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Stellkraft-Stellzeit wichtiger Aktoren
1. Piezo-Aktor
2. Elektromotoren
3. hydraulische Stellzylinder
4. pneumatische Stellzylinder
5. Unterdruck-Aktor
6. Schrittmotor
7. Elektromagnet
Stell-kraft [N]
10000
1000
100
10
1
1000 100 10 1
5
7
Stellzeit (geregelt) [ms]
Diagramm Stellkraft-Stellzeit (geregelter Betrieb) für wichtige AktorenDiagramm Stellkraft-Stellzeit (geregelter Betrieb) für wichtige Aktoren
1 23 4
5
7
6
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Leistungsdichten einiger Aktoren
Formgedächtnis-antriebe
Antriebe mit elektro-rheologischer
Flüssigkeit
HydraulischeAntriebe
Gleichstrom-antriebe
Gasturbinen (Schiff, Flugzeug)
Zum Vergleich ist die durchschnittliche Leistungsdichte einesMenschen angegeben
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Unkonventionelle AktorenAlternative Aktorprinzipien
Festkörperumwandlung (⇒ Festkörperaktoren)z. B. Elektrostriktion, Piezoeffekt, Magnetostriktion
oder Formgedächtniseffekt
Umwandlung von Fluidenz. B. elektrorheologischer-, magnetorheologischer-
oder thermopneumatischer Effekt
Umwandlung von Gasenz. B. chemische Reaktionen oder thermische
Ausdehnung
Als „Unkonventionelle Aktoren“ werden Aktoren bezeichnet, die im Gegensatz zu den klassischen Aktoren im Maschinenbau, mit alternativen Aktorprinzipien arbeiten.Zu diesen alternativen Aktorprinzipien zählen:
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Piezo-AktorenDruckkopf von Tintenstrahldruckern
BeispieleFormgedächtnis-Aktoren
Verbrühschutzventil
Elektrorheologische Flüssigkeits-AktorenHometrainer
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Forschungs- & Entwicklungsaufgaben
Aufgabenstellungen in der Entwicklung von unkonventio-nellen (neuen) Aktoren:
Materialforschung
Modellbildung und Simulation
Aktorentwurf
Herstellungsverfahren
Ansteuerung und Charakterisierung
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Materialeigenschaften
Die Größe eines physikalischen Effektes wird entscheidend beeinflusst durch:
die Dielektrizitätskonstante
die Permeabilität
die Korngröße
die Versetzungsdichte
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Physikalische Effekte und zugehörige Materialien
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Unkonventionelle (Neue) Aktoren
2 Piezo-Aktoren
3 Magnetotriktive Aktoren
4 Formgedächtnis-Aktoren
1 Physikalische Grundlagen1 Physikalische Grundlagen
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Physikalische Effekte
(1) Elektrostatischer Effekt
(2) Elektrodynamischer Effekt
(3) Elektromagnetischer Effekt
(4) Elektrostriktiver Effekt
(5) Magnetostriktiver Effekt
(6) Thermostriktiver Effekt
Im wesentlichen wird zwischen sechs physikalischen Effekte unterschieden:
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Physikalische Effekte
Die ersten drei (1-3) physikalischen Effekte erzeugen primär eine direkte
Kraft auf einen zusätzlichen bzw. anderen Körper, der sich im Umfeld bzw.
Feld befindet.
Die weiteren drei (4-6) physikalischen Effekte erzeugen nicht primär eine
Kraft auf einen Körper, sondern mechanische Spannungen innerhalb
eines Körpers die sich in Längenänderungen oder Volumensverände-
rungen auswirken. Wird eine solche Änderungen verhindert, so kann man
daraus Kräfte ableiten.
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Elektrostatischer Effekt Körper mit gleicher elektrischer Ladung stoßen sich ge-
genseitig ab und ziehen sich an bei ungleicher Ladung. Für eine punktförmige Ladungen Q gilt:
Die Kraft ist proportional zum Produkt der Ladungs-mengen dividiert durch das Quadrat des Abstands. Der Proportionalitätsfaktor enthält die absolute und die relative Dielektrizitätskonstanten ε (Permittivität).
Dieser Effekt wurde 1785 von den französischen Physiker Charles Augustin Coulomb entdeckt.
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4 r
QQF
r ⋅⋅⋅⋅⋅
=εεπ
r
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Elektromagnetischer Effekt Formal ist dieser Effekt „Coulomb 2“ dem Effekt „Coulomb 1“
sehr ähnlich. Die Kraft ist proportional dem Produkt der Polstärke
f dividiert durch das Quadrat des Abstands. Der Proportionali-
tätskoeffizient enthält die absolute und die relative Permeabilit-
ätskonstanten. Der Effekt Coulomb 2 ist leichter umzusetzen als
Coulomb 1. Erst bei sehr kleinen Dimensionen gewinnt der Effekt
Coulomb 1 an Bedeutung und er gilt ausschließlich für
Punktladungen.
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4 rF
r ⋅⋅⋅⋅Φ⋅Φ
=µµπ
r
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Elektrodynamischer EffektAuf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeldwirkt eine Kraft F, die sich durch eine einfache Vektor-gleichung beschreiben lässt. Die Länge des strom-durchflossenen Leiters geht mit in die Gleichung ein. Er kann auch mehrfach in Form einer Spule durch das Magnetfeld geführt werden. Dieser Effekt wurde nach den Entdeckern benannt: Gesetz von Biot-Savart. Werden auf geladene, bewegte Teilchen Kräfte durch ein Magnetfeld ausgeübt, spricht man von der Lorenz-kraft.
BlFrrr
×⋅= I
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Elektrostriktiver Effekt
In bestimmten Kristallen, wie Quarz, Tomalin, Seignette-
salz und auch Eis, gibt es Asymmetrien im Kristallgitter.
Eine von außen aufgebrachte mechanische Kraft führt
zu einer Potenzialänderung und ein äußeres angelegtes
elektrische Feld führt zu Verspannungen im Material.
Entdeckt wurde dieser Effekt von den Geschwistern Curie um 1880.
In Keramik aus Blei-Zirkonat-Titan (PZT), kann dieser Effekt genutzt
werden, wenn die Piezokeramik polarisiert und damit die Asymmetrien
in ähnliche Richtungen ausrichtet werden.
Die praktischen Längenänderungen liegen im Bereich von max. 1-2 ‰.
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Thermostriktiver & Magnetostriktiver Effekt
Es handelt sich bei diesem Effekt einfach um die
Ausdehnung von festen Körper, Flüssigkeiten
und Gasen bei Temperaturänderungen. Beson-
ders ausgeprägt ist der Effekt beim Phasen-
wechsel von flüssig nach gasförmig. Bereits
Heron von Alexandria hat den Effekt etwa 100
v. Chr. zum Öffnen von Tempeltüren benutzt.
Wenn die Erwärmung elektrisch erfolgt wird
daraus ein elektromechanischer Wandler.
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Bestimmte Legierungen, vor allem Eisen-
Nickel-Legierungen verspannen sich im
Magnetfeld und ändern ihre Abmes-
sungen. Der Effekt wurde zuerst von
Joule 1847 beschreiben. Er ist ebenfalls
umkehr-bar. Die Größenordnung der
erreichbaren Längenänderung ist ähnlich
gering wie bei den Piezomaterialien.
Thermostriktiver Effekt Magnetostriktiver Effekt
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Unkonventionelle (Neue) Aktoren
2 Piezo-Aktoren
3 Magnetotriktive Aktoren
4 Formgedächtnis-Aktoren
1 Physikalische Grundlagen
2 Piezo-Aktoren
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Piezo - EffektEinführung (1)
Piezo elektrische Materialien besitzen die Eigenschaft,
elektrische Energie in mechanische Energie sowie
mechanische in elektrische Energie zu transformieren!
Der Begriff „Piezo“ leitet sich aus dem griechischen
Wort „piezein“ , was „drücken“ bedeutet, ab.
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Piezo - EffektEinführung (2)
Direkter Piezo – Effekt
Mechanische Verformung eines Kristalls
Entstehung von Oberflächen-Ladung
Entdeckt 1880 von denCurie Brüdern Jaques & Pierre
Direkter Piezo – Effekt
Mechanische Verformung eines Kristalls
Entstehung von Oberflächen-Ladung
Entdeckt 1880 von denCurie Brüdern Jaques & Pierre
SensorprinzipSensorprinzip
Reziproker Piezo – Effekt
Anlegung einer elektrischenSpannung
Expansion/Kontraktion einesKristalls
Entdeckt 1881 von den PhysikernPierre Curie & Gabriel Lippmann
Reziproker Piezo – Effekt
Anlegung einer elektrischenSpannung
Expansion/Kontraktion einesKristalls
Entdeckt 1881 von den PhysikernPierre Curie & Gabriel Lippmann
AktorprinzipAktorprinzip
Piezo – Effekt
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Einsatzgebiete für die Piezoeffekte
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Beispiele für den Piezoeffekt im Alltag:
Zigaretten- oder Grillanzünder
Hierbei erzeugt der Druck auf eine Piezokeramik eine elektrische Ladung, die sich in einem Funken entlädt.
Elektronischer Wecker
Durch anlegen einer Wechselspannung an ein Piezoelement wird ein Schalldruck erzeugt, der selbst den tiefsten Schläfer weckt.
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Ladungsverschiebung
Ladungsverschiebung beim direkten Piezo-Effekt
Ionenkristall mit Symmetriezentrum
Ionenkristall ohne Symmetriezentrum
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Bei den Piezo-Materialien handelt es sich um Dielektrikas, also um elektrische Nichtleiter(Isolatoren).
Der Kristall ist anisotrop (Stoff mit Eigen-schaften, die Richtungsabhängig sind). Dies bedeutet, der Kristall weist keine Symmet-riezentren auf.
Trifft Punkt 2 zu, so trägt der Kristall eine polare Achse.
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Direkte Piezo-EffektBeispiel: Quarz (SiO2)
Bei Quarz (SiO2) ist der Effekt relativ gering; bei Blei-Zirkanat-Titanat (PZT) ist der Effekt wesentlich größer!
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Richtungsabhängigkeit Inverser: Piezo-Effekt
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Longitudinaler Piezo-Effekt
F
F
Polarisations-achse
+
l
∆l
n Scheiben
Silizium
Kraft
Elektrisches Feld E
Sauerstoff
Polare Achse
Elektrische Ladung
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Reziproker Piezo-Effekt
- +-Q +Ql
p = Q • lElektrischer Dipol
Einen elektrischen Dipol kann man sich als „Magnet-Nadel“ mit einer positiven Ladung am einen und einer negativen Ladung am anderen Ende vorstellen. Beschrieben wird der Dipol durch das Dipolmoment p, einen Vektor, der vom negativen Ende zum positiven Ende zeigt.Das Moment ist definiert als das Produkt aus der Ladung Q und dem gegen-seitigen Abstand l
Ein Dipol ist eine Anordnung aus zwei dem Betrag nach gleichen Ladungen mit verschiedenen Vorzeichen, die in einem bestimmten Abstand (im Allg. geringem) voneinander angeordnet sind.
+-
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Elektrischer Dipol im elektrischen Feld
EpMrrr
×=
Bei Einbringen des Dipols in ein elektrisches Feld der Stärke E, wird er sich ge-mäß dem Feldlinienverlauf ausrichten. Dabei erfährt das positive Ende eine Kraft F1 in Feldrichtung, das negative Ende eine Kraft F2 entgegengesetzt dazu. Dieses Kräftepaar bewirkt ein Drehmoment M.
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Elektrischer Dipol in einer PZT-Domäne (PZT = Blei-Zirkonat-Titanat)
a) b) c)
a) Unpolarisierte ferroelektrische Keramik, b) während und c) nach der Polarisation
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Ausdehnungseffekte
PE
∆Z
1
3PE
1
3
∆X
E
P
1
2
3
∆γ
Schereffekt, beschrieben durch d15
Quereffekt, beschrieben durch d31Längseffekt, beschrieben durch d33
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Longitudinal und transversale Auslenkung beim reziproken Piezo-Effekt
transversale Auslenkung
Polarisation
D0 + ∆D
D0
L 0+
∆L
P
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Temperaturabhängigkeit des Piezo-Effektes
Der Piezo-Effekt ist stark Temperaturab-hängig
Bei höheren Temperaturen lassen sich höhere Ausdehnungen erreichen als bei tiefen Temperaturen.
Bei höheren Temperaturen lassen sich z. B. bei Titan- bzw. Zirkonium-Atomen viel leichter zum Umkippen bewegen als bei niedrigen Temperaturen, wenn der Kristall buchstäblich „einfriert“.
Der Piezo-Effekt ist noch bis zum absoluten Nullpunkt zu beobachten, jedoch fällt er nahe 0 K auf Werte von 20 bis 30% des Raumtemperaturwertes zurück.
∆l/ ∆l0
C°
LV PZTca. –0,13%/K
HV PZTca. +0,2%/K
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Hysteresekurve einer Piezokeramik
-Ecccc
Ecccc E[kV/mm][kV/mm][kV/mm][kV/mm]
P,D[C/cm[C/cm[C/cm[C/cm2222]]]]
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Schmetterlingskurve
Elektromagnetische Schmetterlingskurve einer aktorisch eingesetzten Piezokeramik
Spannung (Feldstärke) E[kV/mm][kV/mm][kV/mm][kV/mm]
∆lμμμμmmmm
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Charakteristische Merkmale der Schmetterlingskurve
Näherungsweise Linearität bei kleiner elektrischer Feldstärken (Arbeitsbereich)
Sättigung im Bereich hoher Feldstärken
mechanische Hysterese
Umpolarisation: Mit der Abnahme des äußeren elektrischen Feldes nimmt die Längenänderung ab, bis eine minimale Längenänderung erreicht wird. Bei weiterer Abnahme des Feldes wird wieder eine starke Zunahme der Längenänderung beobachtet. Dieser Effekt wird durch Umkehrung der Polarisationsrichtung verursacht. Ein schnelles Durch-laufen des Umpolarisationspunktes kann zur Zerstörung des Kristall-gitters führen.
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Typischer Verlauf eines Aktor-Systeme
Schematischer Verlauf der Weg-Spannungs-Kennlinie eines Stapelaktors
Bei hochgenauen Positionierungsaufgaben ist die mechanische Hysterese von großem Nachteil. Eine hysteresefreie Ansteuerung wird ermöglicht, wenn es gelingt, anstelle der elektrischen Feldstärke, die Polarisation im Material direkt vorzugeben.
Bei hochgenauen Positionierungsaufgaben ist die mechanische Hysterese von großem Nachteil. Eine hysteresefreie Ansteuerung wird ermöglicht, wenn es gelingt, anstelle der elektrischen Feldstärke, die Polarisation im Material direkt vorzugeben.
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Kompensation der Hysterese
Prinzip der Kompensation der Piezowandler-Hysterese durch eininverses Modell
Prinzip der Kompensation der Piezowandler-Hysterese durch eininverses Modell
Das Stellsignal wird erst über ein inverses System geleitet, das z. B. durch einenSignalprozessor realisiert werden kann. Das inverse System generiert ein Aus-gangssignal u‘(t) das als Eingangssignal des hysteresebehafteten Aktors verwendet wird.
Das Stellsignal wird erst über ein inverses System geleitet, das z. B. durch einenSignalprozessor realisiert werden kann. Das inverse System generiert ein Aus-gangssignal u‘(t) das als Eingangssignal des hysteresebehafteten Aktors verwendet wird.
Rechner Energie-steller
Piezo-wandler
KompensiertesAusgangssignal
InversesModell
Ver-stärker
RealesModell
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Curie - Temperatur Tc
Nach P. Curie benannte kritische Temperatur, bei der ein magnetisch geordneter ferromagnetischer Körper in den ungeordneten, paramagnetischen Zustand übergeht.
Beim Überschreiten dieser Temperatur verlieren Piezo-Keramiken ihre piezo- elektrischen Eigenschaften.
Des weiteren ändert sich bei dieser Temperatur das Kristallgitter in ein nicht polaresGitter. Deshalb sind oberhalb der Curie-Temperatur alle Materialeigen-schaften, die mitder Polarisation verbunden sind, nicht mehr vorhanden. Das bedeutet, dass einferromagnetisches Material seine ferroelektrischen Eigen-schaften einbüßt, da keinepermanenten Dipole mehr existieren die ausgerichtet werden können.
Die Curie-Temperatur von Quarz liegt bei Tc = 570°C. Die höchste bekannte Curie-Tem-peratur besitzt Kobalt mit 1121°C.
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Piezo-Modul dij
Der Piezo-Modul stellt die Beziehung zwischen einem angelegten elektrischen Feld Eund der damit hervorgerufenen Längenänderung ∆l/l0 her. Der Piezo-Modul ist damit diewichtigste Kenngröße des Piezoelektrikums. Die Einheit wird mit [m/V] oder mit [pm/V] angegeben. (z.B. Quarz = dij = 2 .... / pm/V).
Der Index i des Piezo-Moduls gibt die Richtung des elektrischen Feldes und der Indexj die Richtung der Ausdehnung (Deformation), mit der der Kristall reagiert, an.
0lEdl ij ⋅⋅=∆d ij: Piezo-Modul [m/V]E : angelegtes elektrische
Feld [V/m]l0 : Ausgangslänge [m]
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Indizes i,j des Piezo-Moduls(Z)
(Y)
(X)
P
1
3
2
4
6
5
Der Index i des Piezo-Moduls gibt die Richtung des elektrischen Feldes und der Index j die Richtung der Ausdehnung (Deformation), mit der der Kristall reagiert, an.
0lEdl ij ⋅⋅=∆
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Piezo - KonstantenDielektrizitätskonstante ε Piezoelektrische Ladungskonstante d
Piezoelektrische Spannungskonst. g Elastizitätskonstante s=1/Y
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Zahlenbeispiel Piezo-ModulAn eine longitudinalen PZT-Keramik (d33 = 500pm/V) mit der Ausgangslängel0 = 10 mm werde in Z-Richtung eine Gleichspannung von U = 10.000 V angelegt.
Frage: Welche Ausdehnung ∆l zeigt der Kristall?
Lösung:
m5m105l
V10000Vm
10500l
Udl
llU
dl
lEdl
6
12
33
00
33
033
µ=∗=∆
∗∗=∆
∗=∆
∗∗=∆
∗∗=∆
−
−
0lU
E =mit
U = 10 kV P l0 = 10 mm
Z
X
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Kopplungsmodul kij,Sättigungsfaktor Smax
Kopplungsmodul kij
Der Kopplungsmodul ist ein Maß für den Wirkungsgrad, mit dem die aufgebrachte elektrische Energie in mechanische Energie umgesetzt werden kann.Auch der Kopplungsmodul trägt die Richtungsindizes i, j, besitzt jedoch keine Einheit.
Der Kopplungsfaktor (Wirkungsgrad) für Quarz liegt beispielsweise bei k33 = 0,09 und für PZT bei k33 = 0,7.
Sättigungsdehnung Smax
Verhältnis der maximalen Längenänderung ∆lmax zur Ausgangslänge l0.Sie liegt allgemein im Promillebereich und trägt die Einheit [µm/m].
Sättigungsfaktor für PZT-Keramik liegt bei: Smax= 150 µm/m .
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Permittivitätszahl εijDa es sich bei Piezo-Keramiken um Isolatoren handelt, wirken sie wie elektrischeKapazitäten. Sie werden deshalb durch die relative elektrische Permittivität εij
charakterisiert. Die Permittivitätszahl oder auch Dielektrizitätszahl beschreibt dieFähigkeit eines Materials zur Speicherung elektrischer Ladung. Sie ist als das Ver-hältnis der Permittivität des jeweiligen Materials bezogen auf die Permittivität vomVakuum definiert:
Wird die Piezokeramik als das Dielektrikum eines Plattenkondensators betrachtet, der durch die beiden Kontaktierungen gebildet wird, so ist die Kapazität der Anordnung um den Faktor εr größer als für die gleiche Anordnung im Vakuum. In gleicher Weise sinkt die Spannung innerhalb der Piezokeramik.
Es gilt:
00
εεεεεε == ⇒⋅ rr
0CC r ⋅= ε 01
UUr⋅=
εbzw.
mit ε0 = 8,854 • 10-12 As/Vm
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Thermische Ausdehnungs-koeffizient α,
Thermische Ausdehnungskoeffizient α
Die thermische Stabilität von Piezo- Keramiken ist gegenüber
Materialen wie z.B. Stahl, Aluminium etc. sehr hoch. Sie wird durch
den Ausdehnungskoeffizienten beschrieben, der die relative
Längenänderung ∆l/l pro Kelvin spezifiziert. Er trägt die Einheit
[µm/(mK)] dies entspricht [Mikrometer/(Meter · Kelvin)], und hat für
PZT-Keramiken Werte im Bereich von α = 2...9 µm/(mK).
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Steifigkeit kT
Steifigkeit kT
In der ersten Näherung ist ein Piezo-Aktor ein Feder-Masse-System. Die Steifigkeit oder Federkonstante des Piezo-Aktors hängt vom Elastizitätsmodul der Keramik, dem Querschnitt und der Länge des aktiven Materials ab. Erschwerend kommt die Abhän-gigkeit von weiteren nichtlinearen Parameter hinzu. Piezokeramiken erzeugen elek-trische Ladungen, wenn sie belastet werden. Können die Ladungen nicht abfließen, rufen sie eine coulomb‘sche Gegenkraft zur mechanischen Belastung hervor. Eine Piezokeramik mit offenen Elektroden ist deshalb deutlich steifer als eine mit kurzge-schlossenen Elektroden.
Bei Piezo-Aktoren, also einem Verbund aus verschiedenen aktiven und passiven Materialien, ist die Situation noch komplizierter.
Die Aktorsteifigkeit ist ein wichtiger Parameter zum Berechnen von der Resonanz-frequenz, Krafterzeugung und Systemverhalten.
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Resonanzfrequenz f0
Die Resonanzfrequenz f0 idealer Feder-Masse-Systeme ist eine Funktion von Steifig-keit und effektiver Masse. Für die Resonanzfrequenz eines idealen Feder-Masse-Systems gilt:
f0 : Resonanzfrequenz des unbelasteten Aktors [Hz]kT : Aktorsteifigkeit [N/m]meff : effektive Masse (ca. 1/3 der Masse der Piezokeramik
plus evtl. Endstücke) [kg]
eff
T
m
kf ⋅=
π2
10
In Positionierungsanwendungen werden Piezo-Aktoren deutlich unterhalb der Reso-nanzfrequenz betrieben, da aufgrund von Unlinearitäten die mit der obigen Gleichung berechnete theoretische Resonanzfrequenz nicht unbedingt mit der tatsächlichen übereinstimmt.
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Resonanzfrequenz f0
Die Resonanzfrequenz, die in den technischen Daten angegeben ist, bezieht sich immer auf den unbelasteten, an einer Seite befestigten Aktor. Wenn eine Zusatz-masse auf den Aktor wirkt, so reduziert sich f0 entsprechend der Gleichung:
Mm
mff
eff
eff
+⋅= 00
' M : Zusatzmasse [kg]
Die Gleichungen zeigen, dass zur Verdopplung der Resonanzfrequenz entweder die Steifigkeit um den Faktor 4 erhöht oder die Masse auf ¼ des ursprünglichen Wertes reduziert werden muss.Kräfte durch Vorspannfedern haben keinen entscheidenden Einfluss auf die Reso-nanzfrequenz.
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Blockierkraft (maximale Stellkraft)
Die Blockierkraft ist definiert als die maximale Kraft, die ein Aktor erzeugen
kann, wenn er in einem unnachgiebigen, unendlichen steifen Aufbau einge-
spannt ist.
Sie ist das Produkt aus Steifigkeit und maximaler Stellweg.
Es gilt:
lkF T ∆⋅≈max
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Herstellprozess von Piezokeramiken
Rohmaterialien in entsprechenden quantitativen Mischungsverhältnissen zu einer homogenen Masse zusammen führen;
Mixtur auf ca. 75% der Sintertemperatur erhitzen, anschließend erneut mahlen;
Zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften, Granulation mit Binder;
Pulver in gewünschte Form pressen;
Die „grüne“ Keramik zum Ausbrennen des Binders auf c. a. 750°C erhitzen und anschließend bei Ofentemperatur um 1300°C zu einer Keramik sintern;
Keramikblöcke anschließend schneiden, schleifen, läppen und polieren, damit die gewünschte Form und Genauigkeit erreicht wird;
Anschließend durch Sputtern oder Siebdruck Elektroden aufbringen;
Als letzten Schritt im Herstellungsprozess erfolgt die Polarisation. Sie erfolgt durch das Anlegen eines starken elektrischen Gleichfeldes (mehrere kV/mm, allg.: E > 3kV/mm).
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Wichtige Regeln und Maßnahmen Piezo- Keramiken vertragen sehr hohe Druckbelastungen. Druckbelastungen können
bis zu 250 M Pa (= 250 x 106 N/m2) betragen. Dieser Wert darf in der Praxis nicht
erreicht werden, da es bereits bei 20 bis 30% der mechanischen Belastung zur
Depolarisierung kommen kann.
Die Zugbelastung von Piezo- Aktoren ist auf 5 - 10% der Druckbelastung begrenzt. Aus diesem Grund sollten Piezo- Translatoren mit Federn vorgespannt werden, um der hohen Zugbelastung entgegenzuwirken.
Piezo- Keramiken sind spröde und reagieren von daher sehr empfindlich auf Scherkräfte.
Der Alterungsprozess von Piezomaterialen ist relativ gering. Das Altern drückt sich durch eine allmähliche Reduktion der remanenten Polarisation (De-Polarisation) aus. Dieser Prozess muss beim direkten Piezo- Effekt (Sensoren) berücksichtigt werden. Bei aktorischer Anwendung (indirekter Piezo- Effekt) trifft dies kaum zu.
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Herstellungstechnologien
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Dynamischer Betrieb
Piezo- Aktoren zeichnen sich durch ein sehr schnelles Ansprechverhalten aus. Positionsänderungen mit Beschleunigungen von mehreren 1000 g sind durchführbar. Dieses Verhalten ist bei dynamischen Anwendungen wie z.B. bei Ventilsteuerungen, Ultraschallerzeugung und aktiven Schwingungsdämpfungen wünschenswert.
Ein Piezo- Aktor erreicht seine nominale Auslenkung etwa in 1/3 der Periode seiner Resonanzfrequenz f0:
So erreicht beispielsweise ein Piezo- Aktor mit der Resonanzfrequenz f0 = 1000Hzeine nominale Auslenkung in cirka 0,3 ms .
0min
3
1
fT
⋅≈
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51
Stapel-Aktoren
Typische maximale Feldstärken zum Betrieb von Piezoaktoren liegen bei 2 kV/mm.
Um die erforderlichen elektrische Spannung zu reduzieren, werden im allgemeinen
dicke Schichten vermieden. Statt dessen werden Vielschichtsysteme aus elektrisch
parallel und mechanisch in Reihe geschaltete Piezoschichten verwendet. So redu-
ziert sich beispielsweise bei einer Scheibendicke von 50 µm der maximale Span-
nungsbedarf auf 100 V.
Durch die Ausnutzung des Längseffekt in Piezostapeln lassen sich Linearaktoren mit
hoher Genauigkeit und niedrigem Spannungsbedarf realisieren.
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
52
Bauarten
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
∆l ~ n
Lieferbeispiele aus PZT-Keramik
Prof. A. Büngers SS 2012
Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 27
53
Stapel-Aktoren
1) Keramikplättchen (Dicke ca 80 µm)
2) Bedruckte Keramikplättchen mit Elektrode
3) Gestapelte Keramikplättchen
4) Gesinterter Vielschicht-Piezoaktor mit Außenmetallisierung
1 2 3 4
1) Stapelaktor offen gelegt
2) Im vergossenen Zustand
3) Als fertig geschweißte
Piezo Aktuator Unit (PAU)
12
3
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
54
Zahlenbeispiel
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
Prof. A. Büngers SS 2012
Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 28
55
Biege-Aktoren
Bimorphe Konstruktion
Scheiben-bauformPZT
Stahl
Parallel-Bimorph Seriell-Bimorph
½ Umax+ ½ Umax+ Umax+ Umax ½ Umax+ ½ Umax
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
56
Tropfenerzeugung mit Biegewandler
Spannungsversorgung
Piezo-Biegewandler
Düsenplatte
Düse
Tropfen
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 29
57
Tropfenerzeugung mit Biegewandler
GehäuseFlüssigkeitsquelle
Piezo-Bimorph
Flüssigkeit
TropfenAusgussbereich
U U U
U
t
Aufricht-Phase Ausstoß-Phase Ruhephase
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
58
Tuben
Linearer Tubus Rotatorischer Tubus
-Y +Y
+X -X
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 30
59
Einsatzgebiete von Aktoren (1)Optik, Photonik, Messtechnik Massenspeicher Mikroelektronik
Bildstabilisierung Schreib-/Lesekopt-Testsysteme Nano-Metrologie
Scanning-Mikroskopie Spin-Stands Wafer- und Maskenpositionierung
Rastertunnelmikroskopie Disk-Testsysteme Critical-Dimension-Messung
Auto-Fokus-Systeme Aktive Vibrationsdämpfung Mikrolithographie
Interferometrie Inspektionssysteme
Faseroptische Positionierung Aktive Vibrationsdämpfung
und Schalter
Adaptive und aktive Optik
Laser-Tuning
Spiegel-Scanner
Anregung von Vibrationen
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
60
Einsatzgebiete von Aktoren (2)
Präzisionsmechanik und Maschinenbau Medizin, Biologi e
Aktive Vibrationsdämpfung Ultraschall
Strukturelle Verformung Scanning-Mikroskopie
Unrunddrehen, -bohren, -schleifen Patch-Clamp-Systeme
Werkzeugfeineinstellung Gentechnik
Verschleißkompensation Mikromanipulation
Nadelventil-Steuerung Zellpenetration
Mikropumpen Mikrodosiergeräte
Linearantriebe Schockwellenerzeugung
Schlitzdüsensteuerung in Extrusionsmaschinen Audiophysiologische Anregung
Mikrogravursysteme
Schockwellenerzeugung
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 31
61
Vorteile von Piezo-Aktoren
Sub-Nanometer-Auflösung
Piezoelektrische Aktoren können extrem feine Bewegungen ausführen.Bereits die geringste Än-derung der Betriebsspannung wird in eine Positionsänderung umgewandelt.
Reibungs- und spielfrei
Ein Piezo-Aktor besitzt keine mechanisch arbeitenden Elemente wie Zahnräder, Wellen, o.ä. Seine Bewegung basiert auf kristallinen Festkörpereffekten und ist daher verschleißfrei. Da er auch keinerlei Reibung oder Spielen unterliegt, beobachtet man nicht den unangenehmen Stick-Slip-Effekt, wie er bei pneumatischen Systemen vorkommt.
Schnelle Ansprechzeit
Piezo-Aktoren reagieren im Sub-ms-Bereich auf Änderungen der Betriebsspannung. Sie erreichen Beschleunigungen von mehr als 1000 g.
Große Stellkräfte
Piezo-Aktoren können Kräfte von mehreren 10.000 N erzeugen und das mit Sub-Nanometer-Auf-lösung.
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
62
Vorteile von Piezo-Aktoren
Vakuum- und reinraumtauglich
Da Piezo-Aktoren wegen ihrer Funktion auf kristalliner Basis reibungsfrei und deshalb ohne Abrieb
arbeiten und auch keine Schmierung benötigen, sind sie ideal für Hochvakuum-Anwendungen.
Betrieb auch bei kryogenen Temperaturen
Der piezoelektrische Effekt funktioniert, jedoch mit eingeschränktem Wirkungsgrad, bis nahe 0
Kelvin.
Geringer Energieverbrauch
Piezo-Aktoren verhalten sich in erster Näherung wie kapazitive Lasten (Widerstand R>10MΩ). Sie
benötigen im statischen Betrieb fast keine Energie und erzeugen deshalb auch keine Wärme. Bei
dynamischen Anwendungen nimmt der Energieverbrauch linear mit der Frequenz zu.
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 32
63
Nachteile von Piezo-Aktoren
Relativ teuer
Wegen des aufwendigen Herstellungsverfahrens von Piezokeramiken stellen Piezo-Aktoren eine
kostspielige Aktorvariante da.
Hohe Spannungen nötig
Für den Betrieb von Piezo-Aktoren sind Spannungen von bis zu 1000 V und mehr erforderlich.
Hochspannungen sind in der Praxis immer eine Gefahrenquelle, besonders in explosionsgefähr-
deten Bereichen. Für derartige Anwendungen sind Piezo-Aktoren deshalb völlig ungeeignet.
Kleine Stellwege
Was auf der einen Seite ein Vorteil ist, kann auf der anderen Seite genauso gut ein Nachteil sein.
Zwar lassen sich mittels Hebel- oder hydraulischen Kolbensystemen die Stellwege von Piezo-
Aktoren vergrößern, strebt man jedoch große Positionsänderungen an, so ist es sinnvoll, sich eine
günstigere Alternative zu suchen.
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
64
Nachteile von Piezo-Aktoren
Sehr spröde
Keramik hat die unangenehme Eigenschaft, dass sie sehr spröde ist. Sie kann zwar sehr hohe
Druckkräfte aufnehmen, ist aber äußerst empfindlich gegen Zug-und Scherkräfte.
Temperaturabhängigkeit und Hysterese
Piezo-Keramiken zeigen ausgeprägte Temperaturabhängigkeit und Hystereseeffekte. Sie müssen
deshalb stets innerhalb eines Regelkreises betrieben werden.
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 33
65
Weltweit kleinster Linearmotor
Dem amerikanischen Unternehmen New Scale Technologies ist es gelungen, den weltweit kleinsten Linearmotor mit einer Länge von 6 mm, Höhe und Breite nur noch 1,55 mm zu entwickeln. Der Motor wird betrieben mit einer Batteriespan-nung von 2,8 V.Der Motor besteht aus einer Gewindespindel, die durch ein Gewindegehäuse ge-führt ist. Wird dieses durch Piezo-Resonatoren in Torsionsschwingungen versetzt, beginnt die Spindel sich zu drehen. Durch diese einfache wie robuste Bauweise können Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 10 mm/s mit einer maximalen Auflösung von 0,5 µm erreicht werden. Die Arbeitsfrequenz der Piezo-Resona-toren liegt im Ultraschallbereich bei 150 kHz.Bisherige piezobasierte Linearmotoren benötigten eine Betriebs-spannung von ca. 30 V. Der neue Piezo-Resonator von der Firma EPCOS dagegen kann mit 2,8 V betrieben werden. Dank der kleinen Abmessungen eignet er sich für Applikationen in batteriebetriebenen mobilen Geräten. Denkbar wäre z. B. eine mögliche Anwendung für ein optisches Zoom plus Autofokus für Kamerasysteme in Mobiltelefonen.
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66
Piezo - VentilPiezo-Aktor als Biegewandler in einem 3/2 Wegeventils
AUS EIN
2 1
3
12
3
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Nano-Positionierung
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67
Piezo – Ventil
AUS geschalteter ZustandAUS geschalteter Zustand EIN geschalteter ZustandEIN geschalteter Zustand
Ansteuerelektronik Ansteuerelektronik
AnschlusssteckerAnschlussstecker
PiezoventilPiezoventil
1
2
3
1
2
3
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
68
Scherwandler
Treiber ChipAbdeckung
Abdeckung
elektr. Feld
Elektrode
Channeled base
Basisplatte mit Kanälen
Düsenplatte
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 35
69
Piezomotoren und -aktoren
http://www.elliptec.de/
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70
Piezo-Motor
1) Anschlussdrähte2) Piezokeramik3) Feder4) Resonator = Stator5) Angetriebenes
Element = Rotor
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 36
71
Piezo-Motor (Animation)
Piezokeramik
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
72
Bewegungsarten
lineare Bewegung
rotatorische BewegungAktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 37
73
Technische Daten
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
74
Anwendungsbeispiele für Linearbewegung
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 38
75
Rotatorische Bewegung
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
76
Anwendungsbeispiele
Hochdynamische Positionierung einer Kontaktiernadel Verfahrweg: 500 µm Positioniergenauigkeit: 25 µm Zeit Verfahren u. Positionieren: 4 ms
Direktantrieb mit mehreren Elliptec (4) Motoren Reproduzierbarkeit der
Positionierung: 750 nmHeben und Senkendes Pantographen
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 39
77
Anwendungsbeispiele
Zweidimensionaler Scanner Verfahrweg: 05, mm auf +/- 35 µmZeit Verfahren u.
Positionieren: 5 ms
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
78
Linearmotor: Inchworm-Prinzip
Ulrike Wallrabe, Microactuators Group
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 40
79
Piezo: Inchmotor
LCA: left clamping actuators RCA: right clamping actuatorsLPV: longitudinal piezoelectric vibrator
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
80
Antrieb: Piezo-Inchmotor
Die Höhe und Dauer der Spannungsrampe bestimmt die Gesamtschrittweite und die Auflösung
Zeit
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 41
81
Piezo LEGS TM Piezomotor
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
82
Wanderwellenmotor
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 42
83
Wanderwellenmotor
Bewegungsphasen des Rotors
mit Haftungsschicht (braun) auf
den Wellenbergen des Schwing-
stators (gelb), die elliptische Be-
wegung der Statoroberflächen-
punkte erzeugt Vortriebskräfte
entgegengesetzt zur Ausbrei-
tungsrichtung der Wanderwelle.
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
84
Wanderwellenmotor
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 43
85
Wanderwellenmotor für Kameraobjektive
Objektiv von Canon
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
86
Unkonventionelle (Neue) Aktoren
2 Piezo-Aktoren
3 Magnetotriktive Aktoren
4 Formgedächtnis-Aktoren
1 Physikalische Grundlagen
3 Magnetotriktive Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 44
87
Physikalischer Effekt:Wird ein ferromagnetischer Kristall magnetisiert, so tritt mit wachsender Feldstärke eine Formänderung des Kristalls auf. Magnetostriktive Wandler nutzen den seit 1842 bekan-nten Joule-Effekt. Er basiert darauf, dass die so genannten Weissschen Bezirke* sich in die Magnetisierungsrichtung drehen und ihre Grenzen verschieben. Dadurch erfolgt eine Formänderung des ferromagnetischen Körpers, wobei das Volumen konstant bleibt. (Volumeninvariante Längenänderung)*) Ferromagnete enthalten spontan ausgerichtete Bereiche gleicher Magnetisierungsrichtung (Weisssche Bezirke).
Seit der Entwicklung hochmagnetostriktiver Materialien (insbesondere Terfenol-D) besteht wachsendes Interesse in Bezug auf die Aktoranwendung.
Terfenol-D; ist der Name der Verbindung Tb0,3 Dy0,7 Fe2. Die beiden ersten Silben stehen für Terbium
und für Ferrum, die dritte erinnert an den Ort der Werkstoffentwicklung: Noval Ordnance Laboratory.
Das D sagt aus, dass zur Minimierung der Anisotropieenergie das Element Dysprosium benutzt wird.
Terfenol-D; ist der Name der Verbindung Tb0,3 Dy0,7 Fe2. Die beiden ersten Silben stehen für Terbium
und für Ferrum, die dritte erinnert an den Ort der Werkstoffentwicklung: Noval Ordnance Laboratory.
Das D sagt aus, dass zur Minimierung der Anisotropieenergie das Element Dysprosium benutzt wird.
Magnetostriktive Aktoren
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
88
Magnetostriktive Aktoren
Typische Verläufe der Magnetostriktions-Kennlinie ε (H)
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 45
89
Charakteristische Merkmale der Magnetostriktions-Kennlinie
näherungsweise Linearität im Bereich kleiner magnetischer Feld-
stärken (Arbeitsbereich)
Sättigung im Bereich hoher Feldstärken
mechanische Hysterese, Verlust bei Ummagnetisierung
starker Einfluss mechanischer Spannungen, insbesondere deut-
liche Hubzunahme bei mechanischer Druckvorspannung
positive Magnetostriktion unabhängig von der Feldrichtung
näherungsweise Linearität im Bereich kleiner magnetischer Feld-
stärken (Arbeitsbereich)
Sättigung im Bereich hoher Feldstärken
mechanische Hysterese, Verlust bei Ummagnetisierung
starker Einfluss mechanischer Spannungen, insbesondere deut-
liche Hubzunahme bei mechanischer Druckvorspannung
positive Magnetostriktion unabhängig von der Feldrichtung
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
90
Vergleich Magnetostriktion/ Piezoelektrizität
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 46
91
Vergleich mit piezoelektrischenPZT-Materialien
Wesentliche Unterschiede zu den PTZ-piezoelektrischen MaterialienWesentliche Unterschiede zu den PTZ-piezoelektrischen Materialien
• Höhere Curie-Temperatur TC von Terfenal-D
• Höhere Energiedichte von Terfenol-D (U/V = δ • ε < 30kJ/m3)
• Geringere mechanische Hysterese
• Keine bewegten Elektroden
• Magnetisierungsstrom auch im statischen Betrieb
(Ohmsche Verluste)
• Höhere Curie-Temperatur TC von Terfenal-D
• Höhere Energiedichte von Terfenol-D (U/V = δ • ε < 30kJ/m3)
• Geringere mechanische Hysterese
• Keine bewegten Elektroden
• Magnetisierungsstrom auch im statischen Betrieb
(Ohmsche Verluste)
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
92
Magnetostriktive AktorenZahlenbeispiel (2)
Beispiel
Längenänderung eines Terfenol-D-Stabes der Länge l = 10 mm bei angelegter
magnetischer Feldstärke von 100 kA/m
Lösung:
mll
mAAm
Hd
µεεεε
15
%15,0
//101015
3
3
593
3333
=⋅=∆=
⋅⋅⋅=
⋅=−
l
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 47
93
Magnetostriktive Linear-motoren
Magnetostriktive Linearmotoren nutzen den Längseffekt in den Stäben. SieBestehen im allgemeinen aus drei Komponenten:
Magnetostriktives Element (Stab) Einrichtung zur mechanischen Druckvorspannung Magnetisches Teilsystem
Schema eines magneto-striktiven Linearmotors
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
94
Magnetostriktive AktorenZahlenbeispiel Linearmotor
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 48
95
Magnetostriktiver Wandler
Kennlinie S(H)(mechanische Dehnung in Abhängigkeitzur magnetischen Feldstärke)
Aufbau eines magnetostriktiven Wandlers
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
96
Magnetostriktive Biegeaktoren
Magnetostriktive Biegeaktoren lassen sich z.B. auf der Basis dünner Schichtenrealisieren. Prinzipiell kann es sich hier um einen Schichtverbund z.B. einermagnetostriktiven Schicht auf einem dünnen Siliziumträger handeln oder umkompliziertere Schichtsysteme mit mehreren.
Magnetostriktive Biegeaktoren lassen sich z.B. auf der Basis dünner Schichtenrealisieren. Prinzipiell kann es sich hier um einen Schichtverbund z.B. einermagnetostriktiven Schicht auf einem dünnen Siliziumträger handeln oder umkompliziertere Schichtsysteme mit mehreren.
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 49
97
Einspritzventil mit magnetostriktivem Stab
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
98
Vor- und Nachteile von magnetostriktiven Aktoren
Vorteile Nachteile
• hoher elektromechanischer Wirkungsgrad• hohe Kräfte• hohe Wegauflösung• kurze Reaktionszeiten• hohe Eigenfrequenzen• Gute Reproduzierbarkeit• Hohe Energiedichte• Kein Stapelaufbau notwendig• Einsatz über große Temperaturbereiche
• hohe Ströme• Ohmsche Verluste auch im
statischen Betrieb• kurze Stellwege• Kennwerte sind temperatur- und
druckabhängig• Kennlinie - Hysterese• geringe Variantenvielfalt• Teuer und wenig verfügbar• spröde, schwierig zu bearbeiten
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 50
99
Unkonventionelle (Neue) Aktoren
2 Piezo-Aktoren
3 Magnetotriktive Aktoren
4 Formgedächtnis-Aktoren
1 Physikalische Grundlagen
4 Formgedächtnis-Aktoren
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
100
Formgedächtnis-EffektEinführung (1)
Als Formgedächtniseffekt wird die Fähigkeit eines Materials bezeichnet,sich auch nach einer starken plastischen Deformation durch Erwärmung oder Rücknahme der Belastung an seine ursprüngliche Gestalt zu „erinnern“.
Formgedächtnislegierungen FLG (Shape Memory Alloys [SMA]) sind sehrleistungsfähige Aktorwerkstoffe. Im Vergleich mit piezoelektrischen Werk-stoffen oder pneumatischen Einrichtungen, ist der Quotient aus Arbeitund arbeitendem Werkstoffvolumen deutlich höher.
Verformen
Erwärmen
Eine verbogene Büroklammer
aus einer Formgedächtnisle-
gierung „erinnert“ sich bei
Erwärmung an ihre ursprüng-
liche Form.
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 51
101
Formgedächtnis-EffektEinführung (2)
Der Formgedächtniseffekt wird bei verschiedenen metallischen Legie-rungen (z. B. NiTi, CuAlNi, CuZnAL) beobachtet, aber auch bei Polymeren (z. B. PTFE) und Keramiken (z. B. ZrO2).
Last-Dehnungs-Verhalten bei verschiedenen Temperaturen
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
102
Formgedächtnis-EffektEinführung (3)
Der Formgedächtnis-Effekt wurde erstmals 1951 an der Gold-Cadmium-
Legierung beobachtet (Read)
11 Jahre später (1962) wurde der FG-Effekt an einer NiTi-Legierung
weitergehend untersucht und veröffentlicht (W. J. Buehler)
Der FG-Effekt wird seit dem, also seit mehr als 40 Jahren erfolgreich in
den verschiedensten Anwendungen eingesetzt:
Öffnen und schließen von Kontakten (Leistungselektronik)
Mini-Greifer für den Roboter-Einsatz
In der Medizintechnik für gezielt verformbare Katheder, Endoskope
Als Stellglieder, z.B. Federn
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 52
103
Formgedächtnis-EffektLegierungen (1)
NiTi (Nickel-Titan; Nitinol)
CuZn (Kupfer-Zink)
CuZnAl (Kupfer-Zink-Aluminium)
FeNiAl (Eisen-Zink-Aluminium)
CuZnNi (Kupfer-Zink-Nickel)
Formgedächtnis-Polymere
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1932 entdeckt:
Heute existieren ca. 20 verschiedene Formgedächtnislegierungen
Härte und Festigkeit einiger Legierungen sind vergleichbar mit
den Werten für hochwertige Stähle
Technologisch sehr interessant und relevant: NITINOL
Cu-Cd In-Ti Cu-Zn
Nitinol
Ni-Ti-Legierung mit ca. 50 at-% Ni (besonders starker
Effekt)
Ausgezeichnete Korrosionseigenschaften
Gute Ermüdungsfestigkeit technisch sehr interessant
Durch geeignete Vorbehandlung kann man erreichen
das sich die Legierung an zwei verschiedene Formen
bei 2 unterschiedlichen Temperaturen erinnern kann
Zwei-Weg-Gedächtnis-Effekt
104
Formgedächtnis-EffektNitinol (2)
Die besten Ergebnisse für Anwendungen in punkto hoher Anzahl von thermischen Zyklen, guter Umsetzung von Joule‘scher Erwärmung in Arbeit, guter Langzeitstabilität, geringer Deformationswiderstand des Martensitgitters
und hoher Festigkeit des Austenitgitters
erfüllen die FGL auf NiTi-Basis. Dies ist auch der Grund warum diese Legierungen ausschließlich industriell eingesetzt werden.
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 53
105
Eigenschaften von FGLNitinol im Vergleich
Eigenschaften von FGL aus NiTi, CuAlNi und CuZnAl
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
106
Formgedächtnis-EffektVerformungsanteile
Tpekonv εεεε ++=
Konventionelle Materialien haben einen elastischen εe, einen plastischen εp,
und einen thermischen εT Anteil der Gesamtdehnung εkonv.
Die Gesamtdehnung bei Formgedächtnismaterialien εkonv setzt sich zusätzlich
aus den spannungs- und temperaturabhängigen pseudoelastischen
Dehnungen εPE sowie den Einweg- ε1W und Zweiwegdehnungen ε2W
zusammen.
PEWWTpeFGL εεεεεεε +++++= 21
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 54
107
Formgedächtnis-EffektEinführung (5)
Phasenumwandlung zwischen
Hochtemperaturphase (Austenit)
und Niedertemperaturphase
(Martensit).
Durch Erwärmen wird eine Ver-
formung des Materials rückgängig
gemacht.
Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren
108
Formgedächtnis-Aktoren
(1) Einweg-EffektEine scheinbar plastische Verformung bildet sich beim Erwärmen wieder vollständig
zurück und verbleibt bei Rückgang der Temperaturen in diesem Zustand. Die
maximale Dehnung ε1W kann mehrere Prozent (ca. 8%) betragen.
(2) Zweiweg-EffektBei Zweiwegeffekt „erinnert“ sich die FGL bei hoher Temperatur nicht nur an die
austenitische Form, sondern bei der Rücktransformation in den Martensit an eine
trainierte Deformation bei tiefer Temperatur.
(3) PseudoelastizitätBei mechanischer Belastung dehnt sich das Material sehr stark bis zu mehreren
Prozent aus und bei Wegnahme der Belastung kehrt das Material wieder in seine
Ausgangsform zurück.
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 55
109
EinwegeffektPlastisches Beispiel
Einweg-EffektEine scheinbar plastische Verformung bildet sich beim Erwärmen wieder voll-ständig zurück und verbleibt auch bei Rückgang der Temperaturen in diesem Zustand.
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110
Formgedächtnis-Effekt
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 56
111
Zweiwegeffekt
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112
Zweiwegeffekt
Zweiwegeffekt kann antrainiert werden:
.. durch Shape Memory Effect Training (SME-Training)
.. durch Stress Induced Martensite Training (SIM-
Training)
.. durch die Zusammenfassung der Verfahren SME &
SIM
.. Aufgrund von Ausscheidungen
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113
Pseudoelastizität
„gummiartiges“ Verhalten
elastische Verformung
beruht auf der Bildung von spannungs-
induziertem Martensit
nach Entlasstung Umwandlung in Austenit,
wenn T > As
PseudoelastizitätBelastung
Entlastung
Austenit Martensit
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114
Anwendungen der FGL (1)
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115
Anwendungen der FGL (2)
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116
Anwendungen der FGL (3)
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117
Anwendungen der FGL (4)
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118
Anwendungen der FGL (5)
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119
Anwendungen der FGL (6)
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120
Vor- und Nachteile
Vorteile Nachteile
Nahezu sprungartige Formänderung in einem Intervall von 10...30 K
Stabilität des Memory-Effektes stark abhängig von der Legierungsqualität
Hohe Energiedichte (Arbeitsver-mögen pro Volumen)
Begrenzter thermischer Einsatzbereich (-150 bis +150°C)
Unterschiedliche Formänderungsarten (Längung, Kürzung, Biegung, Torsion)
Hoher Preis
Effekt kann auf bestimmte Element-bereiche beschränkt werden
Einsatz erfordert intensive Beratung durch die Hersteller
Ausführungsbeispiele für Bauteile aus Memory-Legierungen (Werksbild Krupp, Essen)
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Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 61
121
Formgedächtnis-EffektAnwendungsbeispiel
http://www.linuxfocus.org/Deutsch/May2001/article205.shtml
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122
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Unkonventionelle - Aktoren
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