Stellkraft-Stellzeit wichtiger Aktoren · 2013. 2. 8. · Prof. A. Büngers SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 1 1 Unkonventionelle -Aktoren Aktorik SS 2012 Unkonventionelle

Prof. A. Büngers SS 2012

Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 1

1

Unkonventionelle - Aktoren

Jede Weitergabe dieser Folien über die Vorlesung hinaus ist ohne Zustimmung des Autors nicht gestattet.Aktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren

2

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



3

Leistungsdichten einiger Aktoren

Formgedächtnis-antriebe

Antriebe mit elektro-rheologischer

Flüssigkeit

HydraulischeAntriebe

Gleichstrom-antriebe

Gasturbinen (Schiff, Flugzeug)

Zum Vergleich ist die durchschnittliche Leistungsdichte einesMenschen angegeben


4

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:


Piezo-AktorenDruckkopf von Tintenstrahldruckern

BeispieleFormgedächtnis-Aktoren

Verbrühschutzventil

Elektrorheologische Flüssigkeits-AktorenHometrainer



5

Forschungs- & Entwicklungsaufgaben

Aufgabenstellungen in der Entwicklung von unkonventio-nellen (neuen) Aktoren:

Materialforschung

Modellbildung und Simulation

Aktorentwurf

Herstellungsverfahren

Ansteuerung und Charakterisierung


6

Materialeigenschaften

Die Größe eines physikalischen Effektes wird entscheidend beeinflusst durch:

die Dielektrizitätskonstante

die Permeabilität

die Korngröße

die Versetzungsdichte




7

Physikalische Effekte und zugehörige Materialien


8

Unkonventionelle (Neue) Aktoren

2 Piezo-Aktoren

3 Magnetotriktive Aktoren

4 Formgedächtnis-Aktoren

1 Physikalische Grundlagen1 Physikalische Grundlagen




9

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:


10

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.




11

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.

20

21

4 r

QQF

r ⋅⋅⋅⋅⋅

=εεπ

r


12

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.

20

21

4 rF

r ⋅⋅⋅⋅Φ⋅Φ

=µµπ

r




13

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


14

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 ‰.




15

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.


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

16


2 Piezo-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.


18

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


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.

20

Ladungsverschiebung

Ladungsverschiebung beim direkten Piezo-Effekt

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 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.



21

Direkte Piezo-EffektBeispiel: Quarz (SiO2)

Bei Quarz (SiO2) ist der Effekt relativ gering; bei Blei-Zirkanat-Titanat (PZT) ist der Effekt wesentlich größer!


22

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


30

Hysteresekurve einer Piezokeramik

-Ecccc

Ecccc E[kV/mm][kV/mm][kV/mm][kV/mm]

P,D[C/cm[C/cm[C/cm[C/cm2222]]]]




31

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.




33

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 piezoelektrischen 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.


36

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]




37

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


40

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 .




41

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


42

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).




43

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.


44

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.




45

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.


46

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




47

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).


48

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.




49

Herstellungstechnologien


50

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

⋅≈




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.


52

Bauarten


∆l ~ n

Lieferbeispiele aus PZT-Keramik



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


54

Zahlenbeispiel




55

Biege-Aktoren

Bimorphe Konstruktion

Scheiben-bauformPZT

Stahl

Parallel-Bimorph Seriell-Bimorph

½ Umax+ ½ Umax+ Umax+ Umax ½ Umax+ ½ Umax


56

Tropfenerzeugung mit Biegewandler

Spannungsversorgung

Piezo-Biegewandler

Düsenplatte

Düse

Tropfen




57

Tropfenerzeugung mit Biegewandler

GehäuseFlüssigkeitsquelle

Piezo-Bimorph

Flüssigkeit

TropfenAusgussbereich

U U U

U

t

Aufricht-Phase Ausstoß-Phase Ruhephase


58

Tuben

Linearer Tubus Rotatorischer Tubus

-Y +Y

+X -X




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


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




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.


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.




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.


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.




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.


66

Piezo - VentilPiezo-Aktor als Biegewandler in einem 3/2 Wegeventils

AUS EIN

2 1

3

12

3


Nano-Positionierung



67

Piezo – Ventil

AUS geschalteter ZustandAUS geschalteter Zustand EIN geschalteter ZustandEIN geschalteter Zustand

Ansteuerelektronik Ansteuerelektronik

AnschlusssteckerAnschlussstecker

PiezoventilPiezoventil

1

2

3

1

2

3


68

Scherwandler

Treiber ChipAbdeckung

Abdeckung

elektr. Feld

Elektrode

Channeled base

Basisplatte mit Kanälen

Düsenplatte




69

Piezomotoren und -aktoren

http://www.elliptec.de/


70

Piezo-Motor

1) Anschlussdrähte2) Piezokeramik3) Feder4) Resonator = Stator5) Angetriebenes

Element = Rotor




71

Piezo-Motor (Animation)

Piezokeramik


72

Bewegungsarten

lineare Bewegung

rotatorische BewegungAktorik SS 2012 Unkonventionelle Aktoren



73

Technische Daten


74

Anwendungsbeispiele für Linearbewegung




75

Rotatorische Bewegung


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




77

Anwendungsbeispiele

Zweidimensionaler Scanner Verfahrweg: 05, mm auf +/- 35 µmZeit Verfahren u.

Positionieren: 5 ms


78

Linearmotor: Inchworm-Prinzip

Ulrike Wallrabe, Microactuators Group




79

Piezo: Inchmotor

LCA: left clamping actuators RCA: right clamping actuatorsLPV: longitudinal piezoelectric vibrator


80

Antrieb: Piezo-Inchmotor

Die Höhe und Dauer der Spannungsrampe bestimmt die Gesamtschrittweite und die Auflösung

Zeit




81

Piezo LEGS TM Piezomotor


82

Wanderwellenmotor




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.


84

Wanderwellenmotor




85

Wanderwellenmotor für Kameraobjektive

Objektiv von Canon


86


2 Piezo-Aktoren








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


88

Magnetostriktive Aktoren

Typische Verläufe der Magnetostriktions-Kennlinie ε (H)




89

Charakteristische Merkmale der Magnetostriktions-Kennlinie

näherungsweise Linearität im Bereich kleiner magnetischer Feld-

stärken (Arbeitsbereich)


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)


mechanische Hysterese, Verlust bei Ummagnetisierung

starker Einfluss mechanischer Spannungen, insbesondere deut-

liche Hubzunahme bei mechanischer Druckvorspannung

positive Magnetostriktion unabhängig von der Feldrichtung


90

Vergleich Magnetostriktion/ Piezoelektrizität




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)


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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




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


94

Magnetostriktive AktorenZahlenbeispiel Linearmotor




95

Magnetostriktiver Wandler

Kennlinie S(H)(mechanische Dehnung in Abhängigkeitzur magnetischen Feldstärke)

Aufbau eines magnetostriktiven Wandlers


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.




97

Einspritzventil mit magnetostriktivem Stab


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




99


2 Piezo-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.




101


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


102


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




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


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.




105

Eigenschaften von FGLNitinol im Vergleich

Eigenschaften von FGL aus NiTi, CuAlNi und CuZnAl


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




107


Phasenumwandlung zwischen

Hochtemperaturphase (Austenit)

und Niedertemperaturphase

(Martensit).

Durch Erwärmen wird eine Ver-

formung des Materials rückgängig

gemacht.


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.




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.


110

Formgedächtnis-Effekt




111

Zweiwegeffekt


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




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


114

Anwendungen der FGL (1)




115



116





117



118





119



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)




121

Formgedächtnis-EffektAnwendungsbeispiel

http://www.linuxfocus.org/Deutsch/May2001/article205.shtml


122

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Unkonventionelle - Aktoren


Documents

Stellkraft-Stellzeit wichtiger Aktoren · 2013. 2. 8. · Prof. A. Büngers SS 2012 Aktorik: Unkonventionelle Aktoren 1 1 Unkonventionelle -Aktoren Aktorik SS 2012 Unkonventionelle