Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren durch FEM ... · Einzelteil 1 Zeichnung Einzelteil 1 Zeichnung Einzelteil 2 2 Modell Zeichnung Einzelteil . Modell Marketing Zeichnungen

Designoptimierung von piezoelektrischen Sensoren Ernst Pletscher, Kistler Instrumente AG 1

Designoptimierung von piezoelektrischen

Sensoren durch FEM-Simulationen

Ernst Pletscher

[email protected]


Übersicht

Kistler Gruppe

Technologien

Produktentwicklung

Auslegung Motorendrucksensor

Zusammenfassung


Kistler Gruppe

Alles aus einer Hand

Entwicklung und Produktion

von Sensoren, Elektronik

und Systeme zur Messung von

Druck

Kraft

Drehmoment

Beschleunigung


Kistler Gruppe

Produkte Druck-, Kraft-, Beschleunigungs- und

Drehmomentsensoren

Systeme zur Analyse und

Auswertung von Sensordaten

Hauptsitz in Winterthur, Schweiz

gegründet 1959

Sechs Produktionsstätten in CH, D, USA

1050 Mitarbeiter, 500 in Winterthur

Umsatz 2011: 235 mCHF

Zusammenarbeit mit 50 Universitäten


Winterthur (CH)

Kistler Instrumente AG

500 Mitarbeitende

Stuttgart (D)

Kistler-IGeL

74 Mitarbeitende

Buffalo NY (USA)

Kistler Instrument Corp.

69 Mitarbeitende

Lorch (D)

Kistler Staiger Mohilo

95 Mitarbeitende

Wetzlar (D)

Corrsys-Datron

50 Mitarbeitende

München (D)

KT Automotive

23 Mitarbeitende

O Continental Headquarter

Kistler weltweit

O Produktionsgesellschaft Kistler Gruppengesellschaften in 25

und Vertretungen in 30 Ländern

Detroit (USA)

Kistler Instrument Corp.

24 Mitarbeitende

Stuttgart (D)

Kistler Instrumente GmbH

64 Mitarbeitende

Japan (JP)

Kistler Japan

36 Mitarbeitende


Technologie – Vielfalt

Piezoelektrische Messtechnik

– Messen mit Kristallen

Piezoresistive Messtechnik

– Messen mit Siliziumkristallen,

Mikromechanische Strukturen

Dehnmesstechnik

– Dehnungsmessstreifen

Kapazitive Messtechnik

– Mikromechanische Strukturen

Optische Messtechnik

– Messen mit Licht


Unterschiedliche Kristallschnitte für

unterschiedliche Sensoreigenschaften

y z

y Polystable-Schnitt

Longidudinalschnitt

Transversalschnitt

Schubschnitt

Der Kristall, das Herz des Sensors

Technologie – Piezoelektrische Sensoren


F

Q Piezoelektrische Materialien erzeugen bei mechanischer Belastung

auf ihren Prismenflächen positive und negative elektrische Ladungen.

Im Ladungsverstärker wird diese Ladung in eine proportionale

Spannung umgewandelt.

unbelasteter Kristall belasteter Kristall

Technologie – Der piezoelekrische Effekt


Prototype

Sensor-Neuentwicklung mit virtuellem Prototyp (idealer Zustand)

Serie CAD-Modell Simulation,

Berechnung

Prototype

Sensor-Neuentwicklung mit Abgleich der Berechnung durch Validierung (realer Zustand)

Serie CAD-Modell Simulation,

Berechnung

Versuche,

Validierung

Abgleich Berechnungsmodell

Vereinfachter Entwicklungsprozess: • Vorhandenes Know-how.

• Reine Festigkeitsuntersuchungen.

Entwicklungsprozess mit zusätzlicher Validierung: • Know-how muss erarbeitet werden.

• Vorhandenes Berechnungsmodell ist, auf Grund geänderter

Abmessungen, nicht geeignet.

Produktentwicklung – Entwicklungsprozess


CAX-Technologie


Pro/E CAD Modell Pro/E FEM Modell FEM-Berechnung

Mechanica

FEM-Berechnung

Abaqus

STEP-Schnittstelle

Sensitivitätsanalyse

mit verschiedenen

Iterationsschleifen

Anpassung der Geometrie am ursprünglichen Modell

Modell

Einzelteil 1

Zeichnung

Einzelteil 1

Zeichnung

Einzelteil 2

Modell

Einzelteil 2 Modell

Einzelteil .

Zeichnung

Einzelteil .

Modell

Marketing

Zeichnungen

Marketing

CAM

Modellerzeugung

in Abaqus


Relevante Daten zur Herstellung der

Sensoren Daten zur FEM-Berechnung Dokumentationsdaten für Marketingunterlagen

und technische Dokumentation


CAD-Daten mit unterschiedlichem Detailierungsgrad



Erhöhung des Messbereichs

Anpassung der Geometrie → strukturmechanische Berechnungen.

Erhöhung der Empfindlichkeit

Anpassung von Material und/oder Geometrie → strukturmechanische und piezoelektrische Berechnungen.

Verbesserung von Beschleunigungsverhalten und Eigenfrequenz

Anpassung von Materialien und/oder Geometrie → strukturmechanische und piezoelektrische Berechnungen.

Untersuchung des Montageprozesses auf die Sensoreigenschaften

Anpassung im Herstellungsprozess → strukturmechanische, thermische und piezoelektrische Berechnungen.

Verbesserung des Verhaltens gegenüber thermischen Einflussgrössen

Anpassung von Material und/oder Geometrie → strukturmechanische, piezoelektrische und transient-thermische

Berechnungen.

Optimierung der Sensoreigenschaften



Festigkeitsberechnung

Modell, Randbedingungen

Spannungsverteilung (Vergleichsspannung)

Einspannung

Druck 300 bar



Lebensdauertest auf Druckprüfstand

Dauerprüfstand Signalverlauf, Druck-Zeit-Diagramm

Pmax. = 5000 bar,

Fmax. = 5 Hz

max. = 300°C

Pmax. = 700 bar,

Fmax. = 100 Hz

max. = 300°C



Beschleunigungsempfindlichkeit und Eigenfrequenz

Modell, Randbedingungen

Berechnung Beschleunigungsempfindlichkeit

Mode x: 105 kHz Messung

der Querschnittskraft im Kristall

da keine piezoelektrische Kopplung vorhanden

Berechnung Eigenfrequenz

Einspannung Einspannung

Belastung 1g

Resultate



Ausmessen Eigenfrequenz

Anregung des Sensors durch

Minenbruch (Druckbleistift)

Frequenzspektrum

Zeitsignal


Thermoschock

Test

Sensor

Referenz

Sensor


Messung des Thermoschocks


( Quelle YouTube )

50 W/cm2

1000 W/cm2


Ursache des Thermoschocks


Kerzenstöpsel in den

Körper

Typ 6115B

Modell Messzündkerze Typ 6115B


Berechnung des Thermoschocks


Typ 6115B

Faryman

Modell Motor




Faryman

Ausmessen der Wärmestromdichte auf Versuchsmotor Dient als Grundlage für die FE-Berechnung des Thermoschocks




Energiespeicherung in Form von Formänderung

Mechanische Spannungen Mechanische Spannungen

260 °C


Berechnung des Thermoschocks - Ergebnisse


Energiespeicherung in Form von Formänderung

Ladungen Thermoschock

260 °C


Berechnung des Thermoschocks - Ergebnisse


Einfluss Fertigung

Oberflächengüte, Abmessungen und Fertigungstoleranzen insbesondere der Membrane

Materialspezifikationen

Festigkeit (Streckgrenze), E-Modul, Wärmeausdehnungskoeffizient, spez. Wärmekapazität und

Wärmeleitfähigkeit. Werte auch in Abhängigkeit der Temperatur.

Wärmeströme

Einbauposition des Sensors, Art des Sensors (Schulterdichtend, Frontdichtend), Motordaten (Drehzahl,

Leistung, Verdichtung etc.)

Schweissprozess

Schweissverfahren, Schweisstiefen, Prozessablauf.


Einflussgrössen für den Thermoschock


Kürzere Entwicklungszeiten mit tieferen E-Kosten.

Neue Kundenanforderungen können in einer frühen Entwicklungsphase

berücksichtigt werden.

Qualität, inklusive Dauerhaftigkeit, lässt sich gezielt optimieren.

Durch Sensitivitätsanalysen werden Kompetenz und Know-how sukzessive

ausgebaut.

Zusammenfassung

Die Sensoroptimierung mittels FEM bringt fundamentale Vorteile:

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