Von Medizintechnik, über Maschinenbau bis hin zur Automobilindustrie – piezokeramische Aktoren sind seit Jahren fester Bestandteil in verschiedenen Anwendungsfeldern und haben sich bereits millionenfach bewährt. Einziges Manko: der fehlende Schutz gegen Luftfeuchtigkeit und die damit einhergehende reduzierte Stabilität der Aktoren. Der CeramTec GmbH mit Sitz in Plochingen ist es jetzt gelungen piezokeramische Aktoren zu entwickeln, die einen hermetisch dichten Schutz besitzen und gleichzeitig eine hohe Langzeitstabilität aufweisen. Für Industrie und Technik ergeben sich daraus völlig neue Anwendungsfelder.
Die piezokeramischem Aktoren von CeramTec bestehen aus mehreren hundert Lagen Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Folie und zeigen unter der Einwirkung einer Verformung durch eine äußere Kraft eine Ladungstrennung. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 0,1 Millisekunden können sie sehr schnell reagieren und dabei gleichzeitig eine Kraft von ein bis zwei Kilonewton erzeugen.
Herkömmliche piezokeramische Aktoren sind durch eine Polymer- oder Keramikbe-schichtung geschützt. Während des Betriebes können sich jedoch Mikrorisse bilden, die den Kontakt von Wassermolekülen mit der Keramikbeschichtung ermöglichen. Die dabei entstehenden Leckströme mindern die Leistungsfähigkeit des Aktors und können ihn darüber hinaus sogar zerstören.
Hundertprozentige Resistenz gegen Feuchteeinwirkung
CeramTec hat deshalb ein spezielles Herstellungsverfahren entwickelt, bei dem das adsorbierte Wasser nach dem Verschließen des piezokeramischen Aktors chemisch umgewandelt wird. Das Resultat ist eine völlig wasserfreie Umgebung im Edelstahl-gehäuse, welches gleichzeitig als Diffusionsbarriere gegen Feuchteeinwirkungen von außen dient. Durch die Faltenbälge besitzt das Gehäuse zudem eine geringe Steifigkeit, welche für die freie Ausdehnung des Aktors bei angelegter Spannung notwendig ist. Auch die Durchführungen der elektrischen Anschlüssen durch das Edelstahlgehäuse sind für den Schutz des Aktors vor Feuchtigkeit von großer Bedeutung: Sie sind durch ein spezielles entwickeltes Glaslot in das Edelstahlgehäuse fest eingebunden und sorgen dafür, dass entlang der Drähte keine Feuchtigkeit in das Innere der Edelstahlhülle gelangt. Selbst nach eintausend Stunden Testbetrieb im Langzeittest lagen die Leckströme bei den hermetisch dicht gehausten Aktoren noch bei Werten von weit weniger als 100 Nanoampere.
Neue Anwendungsfelder
Die hermetische Abdichtung der Aktoren ermöglicht Anwendungen, welche bis dato nicht oder nur sehr schwer realisierbar waren. So können bei der Positionierung von Bohr- und Hohnwerkzeugen, bei deren Betrieb Kühl- und Schmiermittel eingesetzt werden, jetzt piezokeramische Aktoren eingesetzt werden. Auch in Regionen mit sehr hoher Luft-feuchtigkeit wie den Tropen ist nun ein Langzeiteinsatz eines piezokeramischen Aktors ohne weiteres möglich. Bei ausreichender Kapselung kann der gehauste Aktor von CeramTec auch unter Wasser zum Einsatz kommen.
Power Modul als Lösung für höhere Blockierkräfte
Die hermetisch abgedichteten piezokeramischen Aktoren sind für Blockierkräfte von etwa ein bis zwei Kilonewton und Verschiebewege von 45 Mikrometer ausgelegt. Für Anwendungen, die wesentlich höhere Blockierkräfte benötigen, entwickelte CeramTec das Power Modul. Dieses ist, ebenso wie die individuellen Gehäuse, hermetisch abgedichtet und besteht aus vier Reihen mit jeweils zehn piezokeramischen Aktoren. Abweichende Anordnungen mit weniger oder mehr Aktoren sind ebenso möglich.