Integrierte Piezoaktoren und -sensoren beeinflussen Schwingungsverhalten von Gussteilen

„Beim Guss-Aktor bietet ein integrierter Piezoaktor die Möglichkeit, aktiv Schwingungen in die Bauteilstruktur einzukoppeln, somit kann das Schwingungsverhalten von Gussbauteilen aktiv beeinflusst werden“, erklärt Dr.-Ing. Tobias Melz, Leiter des Kompetenzcenter Mechatronik/Adaptronik des Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.

Die Besonderheit dieser Technik ist, dass beim Guss-Aktor der Piezoaktor direkt in das Gehäuse aus Aluminium-Druckguss eingegossen wird. So ist der Aktor optimal in die Materialstruktur des Gehäuses eingebunden und erhält durch den Druckgussprozess die für aktorische Anwendungen erforderliche Vorspannung.

Die integrierte Elektronik ist vor Verschmutzung, Staub und Flüssigkeiten während der Fertigung und Montage sowie im betrieblichen Einsatz geschützt. „Durch die gießtechnische Integration der Funktionselemente entfallen zusätzliche Bearbeitungs- sowie Fügeprozesse und bieten Potenzial zur Kostenreduzierung in der Fertigung metallischer Bauteile mit integrierter Piezokeramik“, nennt Melz die Vorteile dieser.

Ansprechzeiten von wenigen Mikrosekunden realisierbar

Das technische Funktionsprinzip der Piezoaktorik basiert auf dem piezoelektrischen Effekt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung verschieben elektrische Ladungen die Kristallstruktur der Piezokeramik, so dass eine aktive Verformung des piezoelektrischen Werkstoffes hervorgerufen wird. Dabei sind äußerst geringe Ansprechzeiten von wenigen Mikrosekunden realisierbar. In der Umkehrung dieses Effektes können piezoelektrische Werkstoffe durch mechanische Verformung, zum Beispiel durch Druck- oder Zugkräfte oder Vibration, selbst elektrische Ladungen in der Kristallstruktur erzeugen, die als Sensorsignal für die entsprechende Belastung abgeleitet werden können.

Die Casttronics-Technologie ist eine innovative Möglichkeit, um Piezoaktoren und -sensoren direkt in ein metallisches Gehäuse zu integrieren, zum Beispiel aus Aluminium oder Zink. „Der Piezo kann direkt über das ‚steckerfertige’ Gehäuse kontaktiert werden, das mit Gewinden oder Flanschanschlüssen für eine Montage bereits vorbereitet werden kann“, so Melz.

Schwingungen in Maschinen wirken sich negativ auf deren Funktionsweise aus

Schwingungen in Maschinen oder Bauteilen können sich negativ auf deren Funktionsweise auswirken und den Verschleiß erhöhen. Durch Einsatz von Piezoaktorik können diese schwingenden Massen aktiv gedämpft werden, zum Beispiel durch ein aktives Lager. Schwingungen in Bauteilen, insbesondere in Verbindung mit Hohlräumen, wirken sich häufig negativ auf deren akustisches Verhalten aus.

Durch eine Kombination von Schwingungsmessung und der Möglichkeit zur aktiven Schwingungsdämpfung können durch eine gezielte Phasenverschiebung die Schwingungen gegenseitig überlagert werden. Somit wird auch ein aktiver Eingriff in die Bauteilakustik ermöglicht.

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF auf der Hannover-Messe 2009: Halle 2, Stand D34