Unkonventionelle Aktoren_SS_2012
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Prof. A. Büngers SS 2012 Unkonventionelle - Aktoren Aktorik SS Jede 2012Weitergabe dieser Folien über dieUnkonventionelle Aktoren Vorlesung hinaus ist ohne Zustimmung des Autors nicht gestattet. 1 Stellkraft-Stellzeit wichtiger Aktoren Diagramm Stellkraft-Stellzeit (geregelter Betrieb) für wichtige Aktoren Stellkraft [N] 1 3 4 2 10000 1000 100 55 10 77 1 1. Piezo-Aktor 2. Elektromotoren 3. hydraulische Stellzylinder 4. pneumatische Stellzylinder 5. Unterdruck-Aktor 6. Schrittmotor 7. Elektromagnet 6 1 10 100 1000 Stellzeit (geregelt) [ms] Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 2 1 Prof. A. Büngers SS 2012 Leistungsdichten einiger Aktoren Formgedächtnisantriebe Antriebe mit elektrorheologischer Flüssigkeit Zum Vergleich ist die durchschnittliche Leistungsdichte eines Menschen angegeben Hydraulische Antriebe Gleichstromantriebe Gasturbinen (Schiff, Flugzeug) Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 3 Unkonventionelle Aktoren Alternative Aktorprinzipien Als „Unkonventionelle Aktoren“ werden Aktoren bezeichnet, die im Gegensatz zu den klassischen Aktoren im Maschinenbau, mit alternativen Aktorprinzipien arbeiten. Zu diesen alternativen Aktorprinzipien zählen: Festkörperumwandlung (⇒ Festkörperaktoren) z. B. Elektrostriktion, Piezoeffekt, Magnetostriktion oder Formgedächtniseffekt Umwandlung von Fluiden z. B. elektrorheologischer-, magnetorheologischeroder thermopneumatischer Effekt Piezo-Aktoren Druckkopf von Tintenstrahldruckern Beispiele Umwandlung von Gasen z. B. chemische Reaktionen oder thermische Ausdehnung Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren Formgedächtnis-Aktoren Verbrühschutzventil Elektrorheologische Flüssigkeits-Aktoren Hometrainer 4 2 Prof. A. Büngers SS 2012 Forschungs- & Entwicklungsaufgaben Aufgabenstellungen in der Entwicklung von unkonventionellen (neuen) Aktoren: Materialforschung Modellbildung und Simulation Aktorentwurf Herstellungsverfahren Ansteuerung und Charakterisierung Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 5 Materialeigenschaften Die Größe eines physikalischen Effektes wird entscheidend beeinflusst durch: die Dielektrizitätskonstante die Permeabilität die Korngröße die Versetzungsdichte Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 6 3 Prof. A. Büngers SS 2012 Physikalische Effekte und zugehörige Materialien Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 7 Unkonventionelle (Neue) Aktoren 1 Physikalische Grundlagen 2 Piezo-Aktoren 3 Magnetotriktive Aktoren 4 Formgedächtnis-Aktoren Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 8 4 Prof. A. Büngers SS 2012 Physikalische Effekte Im wesentlichen wird zwischen sechs physikalischen Effekte unterschieden: (1) Elektrostatischer Effekt (2) Elektrodynamischer Effekt (3) Elektromagnetischer Effekt (4) Elektrostriktiver Effekt (5) Magnetostriktiver Effekt (6) Thermostriktiver Effekt Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 9 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 Volumensveränderungen auswirken. Wird eine solche Änderungen verhindert, so kann man daraus Kräfte ableiten. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 10 5 Prof. A. Büngers SS 2012 Elektrostatischer Effekt Körper mit gleicher elektrischer Ladung stoßen sich gegenseitig ab und ziehen sich an bei ungleicher Ladung. Für eine punktförmige Ladungen Q gilt: Die Kraft ist proportional zum Produkt der Ladungsmengen 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. r F= Aktorik SS 2012 Q1 ⋅ Q 2 4 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ εr ⋅ r 2 Unkonventionelle Aktoren 11 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 Proportionalitätskoeffizient enthält die absolute und die relative Permeabilitätskonstanten. 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. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren r F= Φ1 ⋅ Φ 2 4 ⋅ π ⋅ µ 0 ⋅ µr ⋅ r 2 Unkonventionelle Aktoren 12 6 Prof. A. Büngers SS 2012 Elektrodynamischer Effekt Auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft F, die sich durch eine einfache Vektorgleichung beschreiben lässt. Die Länge des stromdurchflossenen 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 Lorenzkraft. r r r F = I ⋅ l ×B Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 13 Elektrostriktiver Effekt In bestimmten Kristallen, wie Quarz, Tomalin, Seignettesalz 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 ‰. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 14 7 Prof. A. Büngers SS 2012 Thermostriktiver & Magnetostriktiver Effekt Thermostriktiver Effekt Magnetostriktiver Effekt Es handelt sich bei diesem Effekt einfach um die Ausdehnung von festen Körper, Flüssigkeiten und Gasen bei Temperaturänderungen. Besonders ausgeprägt ist der Effekt beim Phasenwechsel 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. Aktorik SS 2012 Bestimmte Legierungen, vor allem EisenNickel-Legierungen verspannen sich im Magnetfeld und ändern ihre Abmessungen. 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. Unkonventionelle Aktoren 15 Unkonventionelle (Neue) Aktoren 1 Physikalische Grundlagen 2 Piezo-Aktoren 3 Magnetotriktive Aktoren 4 Formgedächtnis-Aktoren Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 16 8 Prof. A. Büngers SS 2012 Piezo - Effekt Einführung (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. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 17 Piezo - Effekt Einführung (2) Piezo – Effekt Direkter Piezo – Effekt Reziproker Piezo – Effekt Mechanische Verformung eines Kristalls Anlegung einer elektrischen Spannung Entstehung von OberflächenLadung Expansion/Kontraktion eines Kristalls Sensorprinzip Aktorprinzip Entdeckt 1880 von den Curie Brüdern Jaques & Pierre Entdeckt 1881 von den Physikern Pierre Curie & Gabriel Lippmann Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 18 9 Prof. A. Büngers SS 2012 Einsatzgebiete für die Piezoeffekte 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. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 19 Ladungsverschiebung Ionenkristall mit Symmetriezentrum Ionenkristall ohne Symmetriezentrum Bei den Piezo-Materialien handelt es sich um Dielektrikas, also um elektrische Nichtleiter (Isolatoren). Der Kristall ist anisotrop (Stoff mit Eigenschaften, die Richtungsabhängig sind). Dies bedeutet, der Kristall weist keine Symmetriezentren auf. Trifft Punkt 2 zu, so trägt der Kristall eine polare Achse. Ladungsverschiebung beim direkten Piezo-Effekt Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 20 10 Prof. A. Büngers SS 2012 Direkte Piezo-Effekt Beispiel: Quarz (SiO2) Bei Quarz (SiO2) ist der Effekt relativ gering; bei Blei-Zirkanat-Titanat (PZT) ist der Effekt wesentlich größer! Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 21 Richtungsabhängigkeit Inverser: Piezo-Effekt Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 22 11 Prof. A. Büngers SS 2012 Longitudinaler Piezo-Effekt Polare Achse Silizium Sauerstoff F Elektrische Ladung ∆l l Elektrisches Feld E F Polarisationsachse + n Scheiben Kraft Aktorik SS 2012 23 Unkonventionelle Aktoren Reziproker Piezo-Effekt 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. l Elektrischer Dipol -Q - + +Q - + p=Q•l 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 gegenseitigen Abstand l Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 24 12 Prof. A. Büngers SS 2012 Elektrischer Dipol im elektrischen Feld r r r M = p×E Bei Einbringen des Dipols in ein elektrisches Feld der Stärke E, wird er sich gemäß 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. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 25 Elektrischer Dipol in einer PZT-Domäne (PZT = Blei-Zirkonat-Titanat) a) b) c) a) Unpolarisierte ferroelektrische Keramik, b) während und c) nach der Polarisation Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 26 13 Prof. A. Büngers SS 2012 Ausdehnungseffekte ∆Z E 3 3 E P P 1 1 ∆X Längseffekt, Quereffekt, beschrieben durch d33 beschrieben durch d31 E Schereffekt, 3 P beschrieben durch d15 2 1 ∆γ Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 27 Longitudinal und transversale Auslenkung beim reziproken Piezo-Effekt L0 + ∆L Polarisation P D0 + ∆D D0 transversale Auslenkung Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 28 14 Prof. A. Büngers SS 2012 Temperaturabhängigkeit des Piezo-Effektes Der Piezo-Effekt ist stark Temperaturabhängig ∆l/ ∆l0 HV PZT ca. +0,2%/K LV PZT ca. –0,13%/K 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“. C° 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. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 29 Hysteresekurve einer Piezokeramik P,D[C/cm [C/cm2] -Ec Ec Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren E[kV/mm] [kV/mm] 30 15 Prof. A. Büngers SS 2012 Schmetterlingskurve ∆lμm [kV/mm] Spannung (Feldstärke) E[kV/mm] Elektromagnetische Schmetterlingskurve einer aktorisch eingesetzten Piezokeramik Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 31 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 Durchlaufen des Umpolarisationspunktes kann zur Zerstörung des Kristallgitters führen. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 32 16 Prof. A. Büngers SS 2012 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. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 33 Kompensation der Hysterese Prinzip der Kompensation der Piezowandler-Hysterese durch ein inverses Modell Inverses Modell Verstärker Reales Modell Rechner Energiesteller Piezowandler Kompensiertes Ausgangssignal Das Stellsignal wird erst über ein inverses System geleitet, das z. B. durch einen Signalprozessor realisiert werden kann. Das inverse System generiert ein Ausgangssignal u‘(t) das als Eingangssignal des hysteresebehafteten Aktors verwendet wird. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 34 17 Prof. A. Büngers SS 2012 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 polares Gitter. Deshalb sind oberhalb der Curie-Temperatur alle Materialeigen-schaften, die mit der Polarisation verbunden sind, nicht mehr vorhanden. Das bedeutet, dass ein ferromagnetisches Material seine ferroelektrischen Eigen-schaften einbüßt, da keine permanenten Dipole mehr existieren die ausgerichtet werden können. Die Curie-Temperatur von Quarz liegt bei Tc = 570°C. Die höchste bekannte Curie-Temperatur besitzt Kobalt mit 1121°C. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 35 Piezo-Modul dij Der Piezo-Modul stellt die Beziehung zwischen einem angelegten elektrischen Feld E und der damit hervorgerufenen Längenänderung ∆l/l0 her. Der Piezo-Modul ist damit die wichtigste Kenngröße des Piezoelektrikums. Die Einheit wird mit [m/V] oder mit [pm/V] angegeben. (z.B. Quarz = dij = 2 .... / pm/V). ∆l = dij ⋅ E ⋅ l 0 dij: Piezo-Modul [m/V] E : angelegtes elektrische Feld [V/m] l0 : Ausgangslänge [m] 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. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 36 18 Prof. A. Büngers SS 2012 Indizes i,j des Piezo-Moduls (Z) 3 6 5 4 ∆l = dij ⋅ E ⋅ l 0 P 2 (Y) 1 (X) Aktorik SS 2012 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. Unkonventionelle Aktoren 37 Piezo - Konstanten Dielektrizitätskonstante ε Elastizitätskonstante s=1/Y Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Piezoelektrische Ladungskonstante d Piezoelektrische Spannungskonst. g Unkonventionelle Aktoren 38 19 Prof. A. Büngers SS 2012 Zahlenbeispiel Piezo-Modul An eine longitudinalen PZT-Keramik (d33 = 500pm/V) mit der Ausgangslänge l0 = 10 mm werde in Z-Richtung eine Gleichspannung von U = 10.000 V angelegt. Frage: Welche Ausdehnung ∆l zeigt der Kristall? Lösung: U ∆l = d33 ∗ E ∗ l0 mit E = l0 U ∆l = d33 ∗ ∗ l0 l0 ∆l = d33 ∗ U m ∆l = 500 ∗ 10 −12 ∗ 10000 V V ∆l = 5 ∗ 10 −6 m = 5µm U = 10 kV P l0 = 10 mm Z X Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 39 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. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 40 20 Prof. A. Büngers SS 2012 Permittivitätszahl εij Da es sich bei Piezo-Keramiken um Isolatoren handelt, wirken sie wie elektrische Kapazitäten. Sie werden deshalb durch die relative elektrische Permittivität εij charakterisiert. Die Permittivitätszahl oder auch Dielektrizitätszahl beschreibt die Fähigkeit eines Materials zur Speicherung elektrischer Ladung. Sie ist als das Verhältnis der Permittivität des jeweiligen Materials bezogen auf die Permittivität vom Vakuum definiert: ε = ε 0 ⋅ εr ⇒ εr = ε ε0 mit ε0 = 8,854 • 10-12 As/Vm 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: Aktorik SS 2012 C = εr ⋅ C 0 bzw. U= 1 εr ⋅U 0 Unkonventionelle Aktoren 41 Thermische Ausdehnungskoeffizient 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). Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 42 21 Prof. A. Büngers SS 2012 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 Abhängigkeit von weiteren nichtlinearen Parameter hinzu. Piezokeramiken erzeugen elektrische 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 kurzgeschlossenen 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 Resonanzfrequenz, Krafterzeugung und Systemverhalten. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 43 Resonanzfrequenz f0 Die Resonanzfrequenz f0 idealer Feder-Masse-Systeme ist eine Funktion von Steifigkeit und effektiver Masse. Für die Resonanzfrequenz eines idealen Feder-MasseSystems gilt: 1 kT f0= ⋅ 2π meff f0 : Resonanzfrequenz des unbelasteten Aktors [Hz] kT : Aktorsteifigkeit [N/m] meff : effektive Masse (ca. 1/3 der Masse der Piezokeramik plus evtl. Endstücke) [kg] In Positionierungsanwendungen werden Piezo-Aktoren deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz betrieben, da aufgrund von Unlinearitäten die mit der obigen Gleichung berechnete theoretische Resonanzfrequenz nicht unbedingt mit der tatsächlichen übereinstimmt. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 44 22 Prof. A. Büngers SS 2012 Resonanzfrequenz f0 Die Resonanzfrequenz, die in den technischen Daten angegeben ist, bezieht sich immer auf den unbelasteten, an einer Seite befestigten Aktor. Wenn eine Zusatzmasse auf den Aktor wirkt, so reduziert sich f0 entsprechend der Gleichung: f '0 = f 0⋅ meff meff + M 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 Resonanzfrequenz. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 45 Blockierkraft (maximale Stellkraft) Die Blockierkraft ist definiert als die maximale Kraft, die ein Aktor erzeugen kann, wenn er in einem unnachgiebigen, unendlichen steifen Aufbau eingespannt ist. Sie ist das Produkt aus Steifigkeit und maximaler Stellweg. Es gilt: F max ≈ kT ⋅ ∆l Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 46 23 Prof. A. Büngers SS 2012 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). Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 47 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. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 48 24 Prof. A. Büngers SS 2012 Herstellungstechnologien Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 49 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: T min ≈ 1 3⋅ f 0 So erreicht beispielsweise ein Piezo- Aktor mit der Resonanzfrequenz f0 = 1000Hz eine nominale Auslenkung in cirka 0,3 ms. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 50 25 Prof. A. Büngers SS 2012 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 reduziert sich beispielsweise bei einer Scheibendicke von 50 µm der maximale Spannungsbedarf 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 51 Bauarten Lieferbeispiele aus PZT-Keramik ∆l ~ n Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 52 26 Prof. A. Büngers SS 2012 Stapel-Aktoren 1 2 3 4 1 1) 2) 3) 4) Keramikplättchen (Dicke ca 80 µm) Bedruckte Keramikplättchen mit Elektrode Gestapelte Keramikplättchen Gesinterter Vielschicht-Piezoaktor mit Außenmetallisierung Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 1) 2) 3) 2 3 Stapelaktor offen gelegt Im vergossenen Zustand Als fertig geschweißte Piezo Aktuator Unit (PAU) 53 Zahlenbeispiel Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 54 27 Prof. A. Büngers SS 2012 Biege-Aktoren Bimorphe Konstruktion Scheibenbauform PZT Stahl + Umax + Umax ½ Umax+ ½ Umax ½ Umax+ ½ Umax Parallel-Bimorph Aktorik SS 2012 Seriell-Bimorph Unkonventionelle Aktoren 55 Tropfenerzeugung mit Biegewandler Spannungsversorgung Piezo-Biegewandler Tropfen Düsenplatte Düse Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 56 28 Prof. A. Büngers SS 2012 Tropfenerzeugung mit Biegewandler Aufricht-Phase Ausstoß-Phase Ruhephase Gehäuse Flüssigkeitsquelle Piezo-Bimorph Ausgussbereich Tropfen Flüssigkeit U U U U Aktorik SS 2012 t Unkonventionelle Aktoren 57 Tuben -Y +X Linearer Tubus Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren +Y -X Rotatorischer Tubus Unkonventionelle Aktoren 58 29 Prof. A. Büngers SS 2012 Einsatzgebiete von Aktoren (1) Optik, Photonik, Messtechnik Bildstabilisierung Massenspeicher Schreib-/Lesekopt-Testsysteme Mikroelektronik 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 59 Einsatzgebiete von Aktoren (2) Präzisionsme chanik und M aschine nbau M e dizin, Biologie Aktive Vibrationsdämpfung Ultraschall Strukturelle Verform ung Scanning-Mikroskopie Unrunddrehen, -bohren, -schleifen Patch-Clamp-Systeme W erkzeugfeineinstellung Gentechnik Verschleißkom pensation Mikrom anipulation Nadelventil-Steuerung Zellpenetration Mikropumpen Mikrodosiergeräte Linearantriebe Schockwellenerzeugung Schlitzdüsensteuerung in Extrusionsm aschinen Audiophysiologische Anregung Mikrogravursysteme Schockwellenerzeugung Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 60 30 Prof. A. Büngers SS 2012 Vorteile von Piezo-Aktoren Sub-Nanometer-Auflösung Piezoelektrische Aktoren können extrem feine Bewegungen ausführen.Bereits die geringste Änderung 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 StickSlip-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-Auflösung. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 61 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. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 62 31 Prof. A. Büngers SS 2012 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 explosionsgefährdeten 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 PiezoAktoren vergrößern, strebt man jedoch große Positionsänderungen an, so ist es sinnvoll, sich eine günstigere Alternative zu suchen. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 63 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. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 64 32 Prof. A. Büngers SS 2012 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 Batteriespannung von 2,8 V. Der Motor besteht aus einer Gewindespindel, die durch ein Gewindegehäuse geführt 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-Resonatoren liegt im Ultraschallbereich bei 150 kHz. Bisherige piezobasierte Linearmotoren benötigten eine Betriebsspannung 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. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 65 Piezo - Ventil Piezo-Aktor als Biegewandler in einem 3/2 Wegeventils AUS EIN 3 3 2 1 2 Nano-Positionierung Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 1 66 33 Prof. A. Büngers SS 2012 Piezo – Ventil Anschlussstecker Ansteuerelektronik Anschlussstecker Ansteuerelektronik Piezoventil Piezoventil 3 3 2 2 1 1 AUS geschalteter Zustand Aktorik SS 2012 EIN geschalteter Zustand Unkonventionelle Aktoren 67 Scherwandler Treiber Chip Abdeckung Abdeckung elektr. Feld Elektrode Channeled base Basisplatte mit Kanälen Düsenplatte Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 68 34 Prof. A. Büngers SS 2012 Piezomotoren und -aktoren http://www.elliptec.de/ Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 69 Piezo-Motor 1) 2) 3) 4) 5) Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren Anschlussdrähte Piezokeramik Feder Resonator = Stator Angetriebenes Element = Rotor 70 35 Prof. A. Büngers SS 2012 Piezo-Motor (Animation) Piezokeramik Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 71 Bewegungsarten lineare Bewegung rotatorische Bewegung Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 72 36 Prof. A. Büngers SS 2012 Technische Daten Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 73 Anwendungsbeispiele für Linearbewegung Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 74 37 Prof. A. Büngers SS 2012 Rotatorische Bewegung Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 75 Anwendungsbeispiele Direktantrieb mit mehreren Elliptec (4) Motoren Reproduzierbarkeit der Positionierung: 750 nm Heben und Senken des Pantographen Hochdynamische Positionierung einer Kontaktiernadel Verfahrweg: 500 µm Positioniergenauigkeit: 25 µm Zeit Verfahren u. Positionieren: 4 ms Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 76 38 Prof. A. Büngers SS 2012 Anwendungsbeispiele Zweidimensionaler Scanner Verfahrweg: Zeit Verfahren u. Positionieren: Aktorik SS 2012 05, mm auf +/- 35 µm 5 ms Unkonventionelle Aktoren 77 Linearmotor: Inchworm-Prinzip Ulrike Wallrabe, Microactuators Group Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 78 39 Prof. A. Büngers SS 2012 Piezo: Inchmotor LCA: left clamping actuators LPV: longitudinal piezoelectric vibrator Aktorik SS 2012 RCA: right clamping actuators Unkonventionelle Aktoren 79 Antrieb: Piezo-Inchmotor Zeit Die Höhe und Dauer der Spannungsrampe bestimmt die Gesamtschrittweite und die Auflösung Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 80 40 Prof. A. Büngers SS 2012 Piezo LEGS TM Piezomotor Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 81 Wanderwellenmotor Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 82 41 Prof. A. Büngers SS 2012 Wanderwellenmotor Bewegungsphasen des Rotors mit Haftungsschicht (braun) auf den Wellenbergen des Schwingstators (gelb), die elliptische Bewegung der Statoroberflächenpunkte erzeugt Vortriebskräfte entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der Wanderwelle. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 83 Wanderwellenmotor Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 84 42 Prof. A. Büngers SS 2012 Wanderwellenmotor für Kameraobjektive Objektiv von Canon Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 85 Unkonventionelle (Neue) Aktoren 1 Physikalische Grundlagen 2 Piezo-Aktoren 3 Magnetotriktive Aktoren 4 Formgedächtnis-Aktoren Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 86 43 Prof. A. Büngers SS 2012 Magnetostriktive Aktoren Physikalischer Effekt: Wird ein ferromagnetischer Kristall magnetisiert, so tritt mit wachsender Feldstärke eine Formänderung des Kristalls auf. Magnetostriktive Wandler nutzen den seit 1842 bekannten 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. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 87 Magnetostriktive Aktoren Typische Verläufe der Magnetostriktions-Kennlinie ε (H) Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 88 44 Prof. A. Büngers SS 2012 Charakteristische Merkmale der Magnetostriktions-Kennlinie näherungsweise Linearität im Bereich kleiner magnetischer Feldstärken (Arbeitsbereich) Sättigung im Bereich hoher Feldstärken mechanische Hysterese, Verlust bei Ummagnetisierung starker Einfluss mechanischer Spannungen, insbesondere deutliche Hubzunahme bei mechanischer Druckvorspannung positive Magnetostriktion unabhängig von der Feldrichtung Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 89 Vergleich Magnetostriktion/ Piezoelektrizität Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 90 45 Prof. A. Büngers SS 2012 Vergleich mit piezoelektrischen PZT-Materialien Wesentliche 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) Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 91 Magnetostriktive Aktoren Zahlenbeispiel (2) Beispiel Längenänderung eines Terfenol-D-Stabes der Länge l = 10 mm bei angelegter magnetischer Feldstärke von 100 kA/m Lösung: ε 3 = d 33 ⋅ H 3 ε 3 = 15 ⋅10 −9 ⋅105 m / A ⋅ A / m ε 3 = 0,15% ∆l = ε 3 ⋅ l = 15µm l Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 92 46 Prof. A. Büngers SS 2012 Magnetostriktive Linearmotoren Magnetostriktive Linearmotoren nutzen den Längseffekt in den Stäben. Sie Bestehen im allgemeinen aus drei Komponenten: Magnetostriktives Element (Stab) Einrichtung zur mechanischen Druckvorspannung Magnetisches Teilsystem Schema eines magnetostriktiven Linearmotors Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 93 Magnetostriktive Aktoren Zahlenbeispiel Linearmotor Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 94 47 Prof. A. Büngers SS 2012 Magnetostriktiver Wandler Kennlinie S(H) (mechanische Dehnung in Abhängigkeit zur magnetischen Feldstärke) Aufbau eines magnetostriktiven Wandlers Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 95 Magnetostriktive Biegeaktoren Magnetostriktive Biegeaktoren lassen sich z.B. auf der Basis dünner Schichten realisieren. Prinzipiell kann es sich hier um einen Schichtverbund z.B. einer magnetostriktiven Schicht auf einem dünnen Siliziumträger handeln oder um kompliziertere Schichtsysteme mit mehreren. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 96 48 Prof. A. Büngers SS 2012 Einspritzventil mit magnetostriktivem Stab Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 97 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 Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren • 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 Unkonventionelle Aktoren 98 49 Prof. A. Büngers SS 2012 Unkonventionelle (Neue) Aktoren 1 Physikalische Grundlagen 2 Piezo-Aktoren 3 Magnetotriktive Aktoren 4 Formgedächtnis-Aktoren Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 99 Formgedächtnis-Effekt Einführung (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“. Erwärmen Eine verbogene Büroklammer aus einer Formgedächtnislegierung „erinnert“ sich bei Erwärmung an ihre ursprüngliche Form. Verformen Formgedächtnislegierungen FLG (Shape Memory Alloys [SMA]) sind sehr leistungsfähige Aktorwerkstoffe. Im Vergleich mit piezoelektrischen Werkstoffen oder pneumatischen Einrichtungen, ist der Quotient aus Arbeit und arbeitendem Werkstoffvolumen deutlich höher. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 100 50 Prof. A. Büngers SS 2012 Formgedächtnis-Effekt Einführung (2) Last-Dehnungs-Verhalten bei verschiedenen Temperaturen Der Formgedächtniseffekt wird bei verschiedenen metallischen Legierungen (z. B. NiTi, CuAlNi, CuZnAL) beobachtet, aber auch bei Polymeren (z. B. PTFE) und Keramiken (z. B. ZrO2). Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 101 Formgedächtnis-Effekt Einführung (3) Der Formgedächtnis-Effekt wurde erstmals 1951 an der Gold-CadmiumLegierung 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 Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 102 51 Prof. A. Büngers SS 2012 Formgedächtnis-Effekt Legierungen (1) 1932 entdeckt: Cu-Cd In-Ti Cu-Zn 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 Nitinol NiTi (Nickel-Titan; Nitinol) CuZn (Kupfer-Zink) CuZnAl (Kupfer-Zink-Aluminium) FeNiAl (Eisen-Zink-Aluminium) CuZnNi (Kupfer-Zink-Nickel) Formgedächtnis-Polymere Aktorik SS 2012 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 Unkonventionelle Aktoren 103 Formgedächtnis-Effekt Nitinol (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. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 104 52 Prof. A. Büngers SS 2012 Eigenschaften von FGL Nitinol im Vergleich Eigenschaften von FGL aus NiTi, CuAlNi und CuZnAl Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 105 Formgedächtnis-Effekt Verformungsanteile Konventionelle Materialien haben einen elastischen εe, einen plastischen εp, und einen thermischen εT Anteil der Gesamtdehnung εkonv. εkonv = εe + εp + εT Die Gesamtdehnung bei Formgedächtnismaterialien εkonv setzt sich zusätzlich aus den spannungs- und temperaturabhängigen pseudoelastischen Dehnungen εPE sowie den Einweg- ε1W und Zweiwegdehnungen ε2W zusammen. εFGL = εe + εp + εT + ε 1W + ε 2W + εPE Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 106 53 Prof. A. Büngers SS 2012 Formgedächtnis-Effekt Einführung (5) Phasenumwandlung zwischen Hochtemperaturphase (Austenit) und Niedertemperaturphase (Martensit). Durch Erwärmen wird eine Verformung des Materials rückgängig gemacht. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 107 Formgedächtnis-Aktoren (1) Einweg-Effekt Eine 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-Effekt Bei 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) Pseudoelastizität Bei 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. Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 108 54 Prof. A. Büngers SS 2012 Einwegeffekt Plastisches Beispiel Einweg-Effekt Eine scheinbar plastische Verformung bildet sich beim Erwärmen wieder vollständig zurück und verbleibt auch bei Rückgang der Temperaturen in diesem Zustand. Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 109 Formgedächtnis-Effekt Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 110 55 Prof. A. Büngers SS 2012 Zweiwegeffekt Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 111 Zweiwegeffekt Zweiwegeffekt kann antrainiert werden: .. durch Shape Memory Effect Training (SME-Training) .. durch Stress Induced Martensite Training (SIMTraining) .. durch die Zusammenfassung der Verfahren SME & SIM .. Aufgrund von Ausscheidungen Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 112 56 Prof. A. Büngers SS 2012 Pseudoelastizität Pseudoelastizität Belastung „gummiartiges“ Verhalten elastische Verformung Austenit Martensit beruht auf der Bildung von spannungsinduziertem Martensit nach Entlasstung Umwandlung in Austenit, wenn T > As Aktorik SS 2012 Entlastung Unkonventionelle Aktoren 113 Anwendungen der FGL (1) Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 114 57 Prof. A. Büngers SS 2012 Anwendungen der FGL (2) Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 115 Anwendungen der FGL (3) Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 116 58 Prof. A. Büngers SS 2012 Anwendungen der FGL (4) Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 117 Anwendungen der FGL (5) Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 118 59 Prof. A. Büngers SS 2012 Anwendungen der FGL (6) Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 119 Vor- und Nachteile Ausführungsbeispiele für Bauteile aus MemoryLegierungen (Werksbild Krupp, Essen) 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 Elementbereiche beschränkt werden Einsatz erfordert intensive Beratung durch die Hersteller Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 120 60 Prof. A. Büngers SS 2012 Formgedächtnis-Effekt Anwendungsbeispiel http://www.linuxfocus.org/Deutsch/May2001/article205.shtml Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren 121 Unkonventionelle - Aktoren Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Aktorik SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren Unkonventionelle Aktoren 122 61
