Piezoaktoren stammen aus der Mikrotechnik. Inzwischen wird der einfache, kraftvolle und kleine Antrieb auch in vielen Medizingeräten genutzt. Ohne Getriebe erreicht ein Stellantrieb damit eine Positioniergenauigkeit von 0,016°.
Piezokeramiken können wegen ihrer besonderen Eigenschaften in ein und demselben Bauteil sowohl als Sensoren als auch als Aktuatoren verwendet werden: Sobald piezoelektrische Keramiken wie PZT deformiert werden, erzeugen sie elektrische Felder – und durch elektrische Felder lassen sich sich auch verformen. Ersteres wird als direkter, letzteres als indirekter piezoelektrischer Effekt bezeichnet.
Die elektrischen Ladungen setzt die Keramik in kleine Verformungen von einem Tausendstel der Ausgangslänge um. Auch wenn die Verformung minimal ist, lassen sich damit hohe Stellkräfte erzielen. Und anders als viele andere Aktoren braucht der Piezoaktuator keine elektromagnetische Wechselwirkung, um zu arbeiten. Seine einfache und kleine Bauform sowie die hohen Stellkräfte machen ihn als Antrieb für viele Medizingeräte interessant.
Weil nur geringe Massen bewegt werden, sind seine dynamischen Eigenschaften hervorragend, was für hochfrequente Anwendungen von Bedeutung ist. Neben Ultraschall-Reinigungsbädern werden hochfrequente Schwingungen auch zum Antrieb von Ultraschalldissektoren in der Weichgewebschirurgie eingesetzt. Diese durchtrennen selektiv nur bestimmte Weichgeweb, während umliegendes Gewebe nicht verletzt wird.
In der Mikrotechnik sind Piezokeramiken verbreitet, weil sie eine hohe Leistungsdichte aufweisen und einfach elektrisch anzusteuern sind. Besonders in der Mikrofluidik werden Piezomembran-Aktoren mit wenigen hundert Mikrometer Dicke verwendet. Sie sind in Mikroventilen in Lab-on-a-Chip-Systemen oder Mikrosynthese-Plattformen im Einsatz. Piezogetriebene Mikropumpen für die Labortechnik oder die Medikamentendosierung arbeiten hoch dynamisch und annähernd verschleißfrei.
Piezokeramische Aktuatoren benötigen und erzeugen, im Gegensatz zu Elektromotoren, kein magnetisches Feld. Da auch der keramische Werkstoff keine Wechselwirkung mit starken Magnetfeldern ausübt, lassen sich Piezoaktuatoren in der Magnet-Resonanz-Tomographie verwenden. Am Lehrstuhl Mikrotechnik und Medizingerätetechnik der TU München (Mimed-TUM) wird ein hochpräziser Stellantrieb entwickelt, der formschlüssig durch Piezo-Stapelaktoren betrieben wird. Ohne zusätzliches Getriebe ist damit eine Positioniergenauigkeit von 0,016° zu erreichen. Der Belastungszustand des Motors lässt sich ebenfalls erfassen, da die Piezokeramik auch als Sensor arbeiten kann.
Wegen des hohen technischen Potentials wird piezoelektrische Keramik sowohl als Sensor als auch als Aktuator untersucht und neben der Mikrofluidik vor allem in der Dosiertechnik und der Antriebstechnik eingesetzt.
Weitere Informationen www.mimed.mw.tum.de
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