Leseprobe Digital Engineering Magazin 2010/08
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Präzisionspositionierung<br />
Komponenten + Werkstoffe<br />
59<br />
Bild 2: Piezogetriebene Direktverdrängung<br />
bei Dosiersystemen.<br />
Foto: Biofluidix<br />
Technik bietet aber noch weitere Vorzüge.<br />
So liegt die nutzbare Obergrenze des<br />
Temperaturbereichs mit 150 Grad Celsius<br />
weit jenseits der 80-Grad-Grenze, die für<br />
konventionelle Multilayer gilt – ein Vorteil<br />
im hochdynamischen Betrieb, bei dem<br />
sich der Aktor erwärmt, sowie für das Ausheizen<br />
in Vakuumanwendungen.<br />
Schnelles Ansprechen ist eine charakteristische<br />
Eigenschaft der Piezoaktoren. Eine<br />
schnelle Änderung der Betriebsspannung<br />
bewirkt eine schnelle Positionsänderung.<br />
Ein Piezoaktor kann bei schlagartigem<br />
Anstieg der Steuerspannung seine nominale<br />
Auslenkung in wenigen Mikrosekunden<br />
erreichen. In Kombination mit den<br />
hohen Belastbarkeiten sind Piezoaktoren<br />
prädestiniert für den Einsatz bei aktiven<br />
Schwingungsisolationssystemen. Die aktive<br />
Schwingungsisolation reduziert die<br />
Einschwingzeiten von Maschinen oder<br />
Messsystemen erheblich, die Präzision bei<br />
Mess- oder Fertigungsabläufen steigt und<br />
höhere Durchsatzraten sind realisierbar<br />
(Bild 2). Davon profitieren zum Beispiel<br />
Laboraufbauten, die Lasertechnologie,<br />
der Maschinenbau sowie optische Messtechnik,<br />
Mikroskopie und Mikrobearbeitung.<br />
Die zur Kompensation notwendigen<br />
Gegenbewegungen werden von den<br />
Piezoaktoren erzeugt, die ein Echtzeit-<strong>Digital</strong>-Signal-Prozessor<br />
ansteuert. Dieser<br />
bietet die notwendige Rechenleistung für<br />
die extrem schnellen Berechnungen zur<br />
Schwingungskompensation.<br />
Dank der großen Steifigkeit, der hohen<br />
Belastbarkeit und dem sauberen druckluftfreien<br />
Betrieb eignen sich die piezobasierten<br />
aktiven Isolatoren sowohl für<br />
die Integration als OEM-Komponenten<br />
in hochmodernen Werkzeugen als auch<br />
für den Einbau in Isolationsplattformen<br />
für Metrologieausrüstung oder optische<br />
Lithografiesysteme.<br />
Vom Inkjet-Drucker bis<br />
zum Mikrodispenser<br />
Viele Anwendungsgebiete verlangen<br />
heute nach Verfahren, die feine Tröpfchen<br />
mit Volumina im Mikro- oder Nanoliterbereich<br />
produzieren. Beispiele finden<br />
sich bei industriellen Großformatdruckern,<br />
die in der Produktion von Flachbildschirmen<br />
eingesetzt werden. Weitere<br />
Applikationen gibt es beim Mikro-Löten<br />
oder bei den Mikrodispensern. In der<br />
Biotechnologie, Medizintechnik oder<br />
Diagnostik ist es für die Herstellung von<br />
Microarrays und Lab-on-a-chip-Systemen<br />
erforderlich, meist viele verschiedene<br />
Flüssigkeiten mit recht unterschiedlichen<br />
Eigenschaften präzise dosieren zu<br />
können (Bild 3). Dabei muss es die verwendete<br />
Technik ermöglichen, unter Berücksichtigung<br />
von Viskosität, Oberflächenspannung<br />
und Dichte der Medien<br />
sowie der Dosiergeschwindigkeit perfekte<br />
Tröpfchen zu generieren. Vernebelung,<br />
Satellitenbildung beim Auftreffen<br />
oder ein Nachtropfen sind zu verhindern,<br />
um zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse<br />
zu erhalten, zum Beispiel beim<br />
Drug-Screening. Für die zur präzisen und<br />
reproduzierbaren Dosierung der kleinen<br />
Mengen erforderlichen hochgenauen<br />
Bewegungsabläufe gelten meist Piezoaktoren<br />
als erste Wahl. Hierbei kommen<br />
wiederum die hohe Beschleunigung wie<br />
auch die präzise ansteuerbare Auslenkung<br />
der Aktoren zum Tragen, um die<br />
physikalischen Anforderungen an eine<br />
Tröpfchenbildung zu erfüllen.<br />
Typische Anwendungen für „Piezos“ gibt<br />
es heute bereits in großer Zahl. Das Spektrum<br />
reicht von Medizintechnik und<br />
Halbleiterfertigung über Photonik, Astronomie<br />
und Raumfahrt bis hin zur Präzisionsbearbeitung<br />
und Metrologie. Für die<br />
Zukunft interessante Bereiche gehen dabei<br />
weit über aktorische Anwendungen<br />
hinaus. Wichtige Schlagworte sind in diesem<br />
Zusammenhang beispielsweise so<br />
genannte Energy-Harvesting und Verbundwerkstoffe<br />
mit integrierter Schadenerkennung<br />
wie in der Flugzeugtechnik.<br />
Mit dem DuraAct-Flächenwandler<br />
wurde hierfür ein vielversprechender Lösungsansatz<br />
geschaffen. Auch bei den Piezokeramiken<br />
selbst wird die Entwicklung<br />
nicht stehenbleiben. So ist das Ziel, alternative<br />
Werkstoffe zu entwickeln, deren Eigenschaften<br />
nahe an PZT herankommen,<br />
die jedoch auf Bleioxid verzichten. rt<br />
KENNZIFFER: DEM20757<br />
Bild 3: Aktives piezoelektrisches<br />
Schwingungsisolationssystem<br />
mit Controller.<br />
Foto: TMC
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