Geschmeidige Keramik

Piezoelektrische Materialien können bei Krafteinwirkung eine elektrische Spannung erzeugen (Piezoeffekt) oder unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen verändern (inverser Piezoeffekt). Sie wandeln mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt.

Während sich der inverse Piezoeffekt für aktorische Anwendungen nutzen lässt, bietet sich der direkte Piezoeffekt oder auch die Kombination beider für die Realisierung von Sensoren an. Der Piezoeffekt beruht auf Verschiebungen innerhalb des Kristallgitters, ist daher keiner mechanischen Reibung und keinem Verschleiß im klassischen Sinne unterworfen und hochsensibel. Bereits kleinste Deformationen erzeugen so unmittelbar eine messbare Ladungsverschiebung, und umgekehrt bewirkt eine kleine elektrische Spannung bei einem Aktor eine sofortige Auslenkung. Damit erschließen sich viele potenzielle Anwendungen, angefangen von klassischen Ultraschall-, Kraft- oder auch Beschleunigungssensoren bis hin zu komplexen adaptronischen Systemen.

Eine besondere Art der sensorischen Anwendung ist das Energy Harvesting. Mit dem Dura-Act-Flächenwandler beispielsweise ist ein sehr vielseitig einsetzbares piezoelektrisches Element auf dem Markt, das sich sowohl im industriellen Bereich als auch in Forschung und Entwicklung ein breites Anwendungsfeld erschließen wird.

Ein spezielles Herstellungsverfahren macht hier die Keramik sehr biegsam. So kann sie auf bewegten Strukturen angebracht werden, wird deformiert und erzeugt Ladungsverschiebungen, die als elektrische Energie genutzt werden können.

Grundlage der kompakten Wandler ist eine piezokeramische Folie, die zur elektrischen Kontaktierung beidseitig mit einem leitfähigen Material bedeckt wird. Anschließend wird dieser Aufbau in einem biegsamen (duktilen) Polymerverbundstoff eingebettet. Dadurch erreicht man gleich dreierlei: Die Piezokeramik wird elektrisch isoliert, mechanisch vorgespannt, und der an sich spröde Werkstoff wird so robust, dass er sogar auf gekrümmten Oberflächen mit Biegeradien bis zu 20 mm aufgebracht werden kann. Man klebt die Wandler dazu einfach auf dem entsprechenden Substrat auf oder integriert sie direkt in den Verbundwerkstoff des Substrats.

Kundenspezifische Geometrien des Flächenwandlers lassen sich bei dem beschriebenen Aufbau ebenso realisieren wie eine auf den jeweils benötigten Biegeradius abgestimmte Form und Dicke der Keramik. Das Gleiche gilt für die Beschaffenheit der Keramik – die von der Einsatztemperatur abhängt – sowie die Gestaltung der elektrischen Anschlüsse. Auch hier zeigt sich, dass piezoelektrische Elemente so vielseitig sind, dass sie sich zunehmend weitere Einsatzbereiche in der Sensorik erschließen werden.

Ein aktuelles Beispiel für eine Anwendung sind adaptronische Systemlösungen, bei denen Dura-Act-Wandler sowohl als Sensor als auch als Aktor eingesetzt werden. Mit solchen Systemen lassen sich störende Schwingungen messen und gleichzeitig kompensieren. Beim Structural Health Monitoring werden hingegen Schwingungen erzeugt und ihre Fortpflanzung in der Materialstruktur gemessen. Das veränderte Schwingungsbild zeigt Fehler in der Struktur, bevor Risse in Bauteilen oder Tragflächen entstehen.

Klassische Anwendungen, in denen Piezowerkstoffe ihren Platz schon gefunden haben, sind zum Beispiel Dosier- und Abfüllanlagen. Hier ist es häufig nötig, einen ungestörten Fluss ohne Luft- oder Gaseinschlüsse sicherzustellen. Dies gelingt mit Hilfe so genannter Ultraschall-Blasendetektoren. In diesen Sensoren dienen Piezoelemente zum Erzeugen und zum Empfangen von Ultraschallwellen. Das Erzeugen der Wellen ist möglich, da das Piezoelement beim Anlegen einer Wechselspannung zu schwingen beginnt. Die kurzen Ansprechzeiten und die daraus resultierende hohe Dynamik ermöglichen hohe Schwingungsfrequenzen von bis zu 20 MHz.

Die Sensoren dieses Typs werden außen an flexiblen Schläuchen angebracht und arbeiten ohne Kontakt zum transportierten Medium; sie beeinträchtigen daher weder die Durchflussmenge noch ist die Gefahr einer Kontamination gegeben, und eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung wird sichergestellt. Ähnliche Vorteile ergeben sich bei der Durchflussmessung.

Nicht immer aber ist bei sensorischen Anwendungen von Piezoelementen Ultraschall im Spiel. Ein typisches Beispiel hierfür sind piezoelektrische Beschleunigungssensoren. Ihr Kernstück ist eine Piezo-Komponente, die mit einer seismischen Masse verbunden ist. Wird das Gesamtsystem beschleunigt, verstärkt diese träge Masse die mechanische Deformation der Piezoscheibe und erhöht so die messbare Spannung. Solche Sensoren erfassen Beschleunigungen in einem breiten Frequenz- und Dynamikbereich bei nahezu linearem Verhalten über den gesamten Messbereich. Sie eignen sich zur Messung dynamischer Zug-, Druck- und Scherkräfte. Sie können sehr steif ausgelegt werden und auch hochdynamische Kräfte messen. Typisch ist außerdem die sehr hohe Auflösung.

In den letzten vier Jahrzehnten hat sich die Physik-Instrumente GmbH (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Nanopositioniertechnik entwickelt. Das privat geführte Unternehmen kann mit über 600 Mitarbeitern viele Anforderungen aus der innovativen Präzisions-Positioniertechnik erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Die Piezokeramiken und -aktoren kommen von der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose.

Zum Portfolio zählen Bauelemente wie Dickenschwinger in Scheiben- oder Plattenform, Piezo-Ringscheiben, Piezorohre und Scherelemente auf Basis vorrätiger Halbzeuge. Andere Geometrien sind auf Anfrage möglich. Die Experten übernehmen die elektrische Kontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben sowie die Montage in bereitgestellte Bauelemente, das Verkleben oder den Verguss von Ultraschallwandlern. Für Durchfluss-, Füllstand- und Kraft- oder Beschleunigungsmessung werden spezifische Sensorkomponenten hergestellt, die sich in die jeweilige Applikation integrieren lassen.

Die Piezoelemente für Ultraschallanwendungen lassen sich grob klassifizieren in zumeist sensorische Aufgaben mit Frequenzen bis 20 MHz und Leistungs-Ultraschall – also das Zertrümmern von beispielsweise Nierensteinen oder das Entfernen von Zahnstein. Die typischen Frequenzen des Leistungs-Ultraschalls liegen dabei zwischen 20 und 3000 kHz. Weitere Informationen: www.physikinstrumente.de