Die Wahl des richtigen mehrschichtigen piezoelektrischen Aktuators: Wichtige Parameter, die Leistung und Zuverlässigkeit beeinflussen

1. Einleitung
2. Grundlegende Arbeitsprinzipien
3. Kernauswahlparameter
4. Leistungskurven verstehen
5. Typische Anwendungen
6. Schlussfolgerung

Einführung
Die Hightech-Fertigung ist eine Welt, in der Präzision entscheidend ist. In der Halbleiterindustrie, der Photonik oder der medizinischen Robotik ist es daher oft erforderlich, Objekte mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich zu bewegen. Herkömmliche Motoren und Spindeln sind dafür in der Regel nicht geeignet. Sie sind zu reibungsintensiv und arbeiten zu widerspenstig. Hier kommt die Technologie ins Spiel. mehrschichtige piezoelektrische Aktuatoren Sie kommen zum Einsatz. Sie sind die Essenz oder die Muskeln der modernen Präzisionsbewegungssteuerung.
Die Wahl des passenden Aktuators gelingt nicht allein durch einen Blick in den Produktkatalog. Bei falscher Wahl kann das System instabil werden, sich verstellen oder der Aktuator sogar vorzeitig ausfallen. Die Hardware muss daher exakt auf die jeweilige Aufgabe abgestimmt sein. Dieser Blog hilft Ihnen, die grundlegenden Parameter und die Interpretation der Leistungsdaten zu verstehen.

Grundlegende Funktionsprinzipien
Man sollte die Funktionsweise eines bestimmten Bauteils kennen, bevor man das passende auswählt. Legt man ein elektrisches Feld an ein piezoelektrisches Material an, verändert sich dessen Form. Dies ist der negative piezoelektrische Effekt.
Bei Aktuatoren älterer Bauart besteht die Keramikmasse aus einem einzigen dicken Block. Um selbst kleinste Teile zu bearbeiten, waren hohe Spannungen von mitunter über 1000 V erforderlich. Moderne Aktuatoren nutzen hingegen das Mehrschicht-Kosinterverfahren. Anstelle eines einzelnen dicken Blocks bestehen sie aus Hunderten hauchdünner Keramikschichten. Jede Schicht ist durch eine interne Elektrode getrennt. Dank der geringen Schichtdicke kann mit einer deutlich niedrigeren Spannung ein sehr starkes elektrisches Feld erzeugt werden.

Kernauswahlparameter
Wir unterteilen die wichtigsten Zahlen in drei Kategorien.
1. Statische Indikatoren
Diese Angaben informieren Sie darüber, wie der Aktor bei langsamer Bewegung reagieren kann.
Freihub (Auslenkung): Der maximale Hub des Aktuators bei maximaler Spannung, wenn keine Last zurückdrückt, wird als Freihub bezeichnet. Er entspricht der Reichweite.
Blockierkraft (Fmax): Die maximale Schubkraft des Aktuators. Gemessen wird die Kraft, die auftritt, wenn der Aktuator blockiert ist und sich überhaupt nicht mehr bewegen kann. Bei sehr schweren Lasten ist eine hohe Blockierkraft erforderlich.
Mechanische Festigkeit: Dies ist die statische Steifigkeit (k). Ein hochfester Aktor verhält sich ähnlich wie eine sehr steife Feder. Er ist sehr widerstandsfähig gegen äußere Kräfte. Man berechnet sie, indem man die Blockierkraft durch den freien Hub teilt.

k = Fmax/Delta Lmax

2. Elektrische Anzeigen
Kapazität (C): Piezoaktoren verhalten sich wie Kondensatoren. Größere Aktoren weisen in der Regel eine höhere Kapazität auf. Dies ist wichtig, da es angibt, welche Stromstärke Ihr Treiber liefern muss. Für eine ruckartige Bewegung benötigen Sie einen Treiber, der diese Kapazität auslasten kann.
Ansteuerspannungsbereich: Dies ist der "Treibstoff" für den Aktor.
3. Dynamische Indikatoren
Resonanzfrequenz: Jeder Aktor hat eine natürliche Schwingungsfrequenz, bei der er bevorzugt schwingt. Im Allgemeinen sollte man deutlich langsamer arbeiten. Eine Frequenz in Resonanzhöhe kann dazu führen, dass der Aktor durch die Vibrationen zerstört wird.
Reaktionsgeschwindigkeit: Piezoaktoren reagieren schnell. Ihre Reaktionszeit liegt im Mikrosekundenbereich. Daher eignen sie sich ideal zur Vibrationsdämpfung oder für schnelle Schaltvorgänge.

Leistungskurven verstehen
Die Datenblätter enthalten üblicherweise einige Diagramme. Man muss kein Wissenschaftler sein, um sie zu lesen, aber man sollte die wichtigsten Trends kennen.
Weg-Spannungs-Kennlinie (Hysterese): Wird die Spannung zwischen 0 V und 150 V erhöht und anschließend wieder auf 0 V zurückgesetzt, ändert sich der Bewegungsablauf. Der Aktor kehrt nicht exakt in die Ausgangsposition zurück. Diese Verzögerung wird als Hysterese bezeichnet. Sie beträgt üblicherweise 10 % bis 15 %. In einem geschlossenen Regelkreis ist ein Sensor erforderlich, um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten.
Kraft-Weg-Kurve: Dies ist die aussagekräftigste Grafik. Sie verdeutlicht einen Zielkonflikt. Je höher die Last, desto kürzer der Weg, den der Aktor zurücklegen kann. Wird er mit einer Kraft bewegt, die seiner Blockierkraft entspricht, bewegt er sich überhaupt nicht.
Erfahrener Ratgeber: Die praktischen Gegebenheiten sind komplex. Diese Kurven variieren je nach Temperatur, Hochgeschwindigkeitszyklen und Art der Last (Feder vs. Eigengewicht). Für professionelle Unterstützung wenden Sie sich bitte an Bestarsensor.
Folgende Schritte lassen sich leicht merken, um ein Projekt zu beginnen:
Prüfen Sie Hub und Kraft: Wie weit muss die Bewegung erfolgen? Wie schwer ist das Objekt? Wählen Sie immer einen Aktor mit etwa dem doppelten benötigten Hub. So haben Sie einen Sicherheitsabstand.
Beachten Sie die Geschwindigkeit: Wie oft pro Sekunde sollte es sich bewegen? Dies gibt die Frequenz an. Um sicherzustellen, dass Ihr Netzteil den Ladestrom bewältigen kann, überprüfen Sie die Kapazität.
Umgebungsbedingungen prüfen: Wird das Gerät im Vakuum betrieben? Herrscht eine hohe Luftfeuchtigkeit? Piezokeramik ist empfindlich gegenüber Wasser.

Typische Anwendungen
1. Mikrobearbeitung: In Halbleiteranlagen unterstützen Aktuatoren die Ausrichtung von Masken und Wafern. Hierbei ist von einer Präzision im Nanometerbereich die Rede.
2. Optische Systeme: Piezostapel werden verwendet, um Spiegel zu neigen oder optische Linsen für hochpräzise Zielerfassung bei der Verwendung eines High-End-Lasers oder eines Teleskops zu bewegen. Auch die Ausrichtung von Glasfasern erfolgt damit.
3. Medizintechnik: Dieser Typ wird in Miniaturpumpen zur Verabreichung präzise dosierter Medikamentenmengen eingesetzt. Er stellt auch die „Waffen“ von Operationsrobotern her, die winzige Finger darstellen.

Abschluss
Die richtige Auswahl des mehrschichtigen piezoelektrischen Aktuators ist der erste Schritt zu einem effektiven Hochpräzisionssystem. Es muss nicht unnötig kompliziert sein. Zunächst einmal sind Hub, Kraft und die elektrischen Grenzwerte entscheidend.
Wir bieten verschiedene Arten von Standard- und kundenspezifischen Lösungen an bei Bestar-SensorWir verstehen, dass jedes Projekt seine Herausforderungen mit sich bringt. Sollte ein Bauunternehmer einmal eine besondere Kurve oder eine knifflige Last fordern, kontaktieren Sie uns einfach. Wir unterstützen Sie gerne im gesamten Prozess.