Piezokeramik in industriellen Anwendungen

CeramTec verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Herstellung von piezoelektrischen Keramikbauteilen, Sensoren, Wandlern und dielektrischen Komponenten für den Industrieausrüstungssektor.

Präzisionsgefertigte piezokeramische Scheiben werden von vielen Erstausrüstern zur automatischen Füllstands- und Entfernungsmessung in Industrieanlagen sowie für Gas- und Flüssigkeitsströmungs-und Füllstandsmesssysteme eingesetzt. Geräte zur zerstörungsfreien Prüfung und viele Hochleistungs-Ultraschallanwendungen, z. B. für Ultraschallreinigung, Schweißen, Inspektion und Sonochemie, verwenden ebenfalls unsere piezoelektrischen Keramiken als Wandler. Piezokeramische Bimorphe werden als Betätigungselemente in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen wie Tintenstrahldruckköpfen und Viskositätsmessgeräten eingesetzt. Sie kommen auch in Münz- und Banknotenprüfsystemen zur Anwendung.

In Zusammenarbeit mit unseren Kunden entwickeln wir maßgeschneiderte Lösungen für spezifische industrielle Anforderungen. Mit unserem Fachwissen in den Bereichen Konstruktion und Spezialfertigung können wir Komponenten nach strengen Vorgaben in jeder gewünschten Menge herstellen.

Piezokeramische Komponenten für elektromechanische Wandler

Piezokeramik im Geräte- und Maschinenbau

Füllstandssensoren (Lagersilos)

Füllstandssensoren werden typischerweise in zwei verschiedene Messsysteme unterteilt. Die Tauchschwingermessung, die die Dämpfung eines piezokeramischen Resonators nutzt, und die Laufzeitmessung mit piezokeramischen Wandlern. Hier erfolgt die Füllstandsmessung über die Laufzeitmessung eines luftgetragenen Ultraschallsignals, das ausgesendet, von der zu messenden Oberfläche reflektiert und danach vom gleichen Wandler wieder detektiert wird. Über die Laufzeit des Ultraschallsignals kann die Entfernung zwischen Wandler (der an der Decke des Silos hängt) und Füllgut berechnet werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Systems ist, dass es "berührungslos" arbeitet, d. h. auch die Messung des Füllstands von Feststoffen z. B. in Silos ist möglich. Ein Nachteil ist, dass die Genauigkeit der Messung von den Reflexionseigenschaften der jeweiligen Substanz abhängt. Damit der piezokeramische Wandler genau messen kann, muss ein bestimmter Anteil der von ihm ausgesandten Welle reflektiert werden. Wird die Wellenfront zu stark gestreut oder von den eingelagerten Materialien absorbiert, ist keine sinnvolle Messung möglich.

Ausführungen: Runde Scheiben, Ringe oder andere Sonderbauformen

Ultraschallreinigung

Ultraschallreinigung ist ein Thema, das von kleinen Brillenreinigungsbädern für Optiker bis hin zu 20 m langen industriellen Reinigungsanlagen mit automatischen Fördersystemen ein breites Spektrum an Ausführungen umfasst. Die Ultraschallreinigung funktioniert durch die Erzeugung von Kavitation in einer Reinigungsflüssigkeit mittels Hochleistungs-Ultraschallwellen. Kavitation ist die Bildung winziger lokaler Gasbläschen auf Grund von Druckunterschieden in der Flüssigkeit, die nach sehr kurzer Zeit implodieren. Die Kavitation reinigt die kontaminierte Oberfläche der Substanz intensiv, auch bei komplizierten Formen. Die Ultraschallenergie wird über den Boden und die Wände der Reinigungswanne oder über eingetauchte Schallköpfe in die Flüssigkeit übertragen. Die Piezo-Verbundschwinger, die die Ultraschallwellen erzeugen, bestehen in der Regel aus mindestens zwei piezokeramischen Ringen, die mit metallischen Endstücken mechanisch vorgespannt sind. In sehr kleinen Reinigungsbädern wird eine einzelne runde piezokeramische Platte auf den Boden der Wanne geklebt.

Ausführungen: Runde Scheiben oder Ringe

Ultraschallschweißen

Beim Ultraschallschweißen wird die durch den Ultraschall erzeugte Reibungsenergie an den Grenzflächen ausgenutzt. Wenn zwei Formteile an ihren Verbindungsflächen zusammengedrückt und mit hochfrequentem Ultraschall angeregt werden, erzeugen die Oberflächen der beiden Teile so viel Energie, dass ihre Verbindungsflächen miteinander verschmelzen. Dies funktioniert sowohl bei Metall- als auch bei Kunststoffteilen. Die Ultraschallenergie wird den zu verbindenden Teilen über eine Sonotrode zugeführt, die den vom Piezo-Verbundwandler erzeugten Ultraschall verstärkt. Der Piezo-Verbundwandler besteht aus zwei oder mehreren piezokeramischen Ringen, die mit zwei metallischen Endstücken mechanisch vorgespannt werden. Das Ultraschallschweißen hat sich in der Industrie als eine sehr schnelle, kostengünstige und zuverlässige Fügetechnik etabliert.

Ausführungen: Ringe

Ultraschallmaterialbearbeitung

Der konstruktive Aufbau und die Erzeugung der Ultraschallwellen sind identisch mit dem Ultraschallschweißen, nur dass am Ende der Sonotrode ein Werkzeug zur Bearbeitung des Materials angekoppelt ist und zusätzlich eine Suspension verwendet wird, die wie ein Schleifmittel wirkt. Das Werkzeug wird zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen in Vorschubrichtung angeregt, die auch die Schleifpartikel in der Wassersuspension in Schwingung versetzen. Für einen Bruchteil eines Vibrationszyklus stehen die Partikel in Reibung mit dem Werkstück und dem Werkzeug. Bei diesen Stößen wird das Werkstück mikroskopisch klein geschnitten. Mit diesem Verfahren lassen sich nahezu alle Materialien bearbeiten, von Glas bis zu Hartmetall. Der Vorteil dieser Bearbeitungsmethode liegt in der hohen Präzision und der hochwertigen Oberflächengüte des bearbeiteten Teils.

Ausführungen: Ringe

Zerstörungsfreie Materialprüfung

Im Maschinen-, Anlagen- und Werkzeugbau gilt seit vielen Jahren die Maxime, mit einem Minimum an Material ein Maximum an Belastbarkeit zu erzeugen. Voraussetzung dafür ist, dass die verwendeten Werkstoffe oder Halbzeuge frei von Fehlern oder Inhomogenitäten sind. Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ermöglicht eine umfassende Qualitätssicherung im Produktionsprozess. Von allen in der Industrie eingesetzten Prüfverfahren ist die Reflexionstechnik am weitesten verbreitet. Bei dieser Methode wird ein piezokeramischer Transmitter entweder direkt oder über ein flüssiges oder festes Koppelmedium mit dem zu prüfenden Werkstück verbunden. Der piezokeramische Wandler strahlt ein Ultraschallwellenpaket in das Prüfstück, wo es entweder reflektiert wird, wenn Defekte oder Inhomogenitäten vorhanden sind, oder das Prüfstück ungehindert durchläuft. Reflektierte Schallwellen werden von demselben Piezowandler wieder empfangen und erkennen Fehler im Material.

Ausführungen: Runde Scheiben, rechteckige Platten oder quadratische Platten

Echolote und Fischfinder

Piezokeramische Bauteile in Sonarsystemen werden für die Erkennung, Entfernungsmessung und Navigation unter Wasser eingesetzt, z. B. in Echoloten für kleine Boote zur Messung der Wassertiefe oder in Sonaranlagen für große Schiffe zur Ortung von Fischschwärmen, zur Überwachung von Schleppnetzen oder zur Kartierung des Meeresbodens.

 

Ultraschall-Abstandssensoren und Ultraschallzähler

Eine piezokeramische Scheibe sendet eine kurze Ultraschall-Luftwelle in die Richtung des Objekts, dessen Entfernung gemessen werden soll. Die Schallwelle wird von diesem Objekt reflektiert und von demselben piezokeramischen Teil wieder empfangen. Das piezokeramische Teil arbeitet dabei als Sender und Empfänger (Zeitmultiplexbetrieb). Das piezokeramische Teil hat normalerweise eine Anpassungsschicht auf der Abstrahlungsseite, um die akustische Impedanz des Wandlers an die der Luft anzupassen. Die Frequenz, die der Wandler verwendet (Resonanzmodus), hängt von der gewünschten Reichweite und der Auflösung ab. Je höher die Frequenz, desto höher die Auflösung und desto geringer die Reichweite - und umgekehrt. Ist die sich aus der Frequenz ergebende Wellenlänge groß im Vergleich zur Größe des Wandlers, so ergibt sich eine kugelförmige Abstrahlung der Wellenfront. Ist die Wellenlänge kürzer als der Schallwandler, wird sie gerade (in einem engen Winkel) abgestrahlt. Eine gerichtete Abstrahlung ist in fast allen Fällen erwünscht. Die Entfernungen, die mit diesen Systemen sinnvoll gemessen werden können, liegen zwischen 0,25 und 10 Metern. Diese Anwendung kann für verschiedene Zwecke in der industriellen Automatisierung eingesetzt werden, z. B. zur Abstandsmessung, als Grenzwertüberwachung oder als Zähler (ein Objekt wird bei jedem Durchgang durch den Messbereich registriert).

Ausführungen: Runde Scheiben

Durchflussmessung (Wasser- und Wärmemessung)

Bei der Ultraschall-Durchflussmessung unterscheidet man zwischen zwei Messprinzipien: dem Doppler und dem Mitführprinzip. In beiden Fällen generiert ein piezokeramischer Wandler, der an der Rohrwandung positioniert ist, Ultraschallwellen, die schräg zur Strö­mungsrichtung in die Flüssigkeit eingekoppelt werden. Beim Dopplereffekt wird die Frequenzverschiebung der Ultraschallwellen ausgewertet, die von Streuteilchen, die sich in der Flüssigkeit befinden reflektiert werden. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, desto größer ist die Frequenzver­schiebung zwischen abgestrahlter und reflektierter Wellenfront. Für dieses Meßverfahren wird nur ein Piezowandler benötigt, der zeitversetzt sendet und empfängt. Beim Mitführprinzip werden immer zwei piezokeramische Wandler eingesetzt, die versetzt zur Strömungsrichtung positioniert sind. Diese senden bzw. empfangen wechselseitig puls­förmige Ultraschallwellenpakete gegen die Strömung und mit der Strömung. Es ergibt sich jeweils eine entsprechende Überlagerung von Schallausbreitungsgeschwin­digkeit und Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dann proportio­nal zum Kehrwert der Laufzeitdifferenz mit und gegen die Strömung. Der Vorteil dieser Messmethode liegt darin, dass die Messung unabhängig von der Schallausbreitungsge­schwindigkeit und damit vom Medium ist. Damit lassen sich also nicht nur Flüssigkeiten, sondern auch Gase messen.

Ausführungen: Runde Scheiben

Ortung von Lecks

Die Leckortung von Rohrleitungen dient dazu, festzustellen, ob und gegebenenfalls wo in Systemen, die Flüssigkeiten und Gase enthalten, ein Leck vorhanden ist. Handelt es sich bei der Rohrleitung um eine Kunststoffrohrleitung und ist das Medium Wasser (Haushaltswasser), kann ein Hydrophon zur Leckortung eingesetzt werden. Das Hydrophon besteht aus einem piezokeramischen Rohr und einem Kunststoffgehäuse und analysiert die Geräuschentwicklung im System, um das Leck zu erkennen. Der Sensor funktioniert wie ein "Unterwassermikrofon".

 

Einbruchmeldeanlagen & Objektschutz

Piezokeramische Wandler werden auf vielfältige Weise in Einbruchmeldeanlagen eingesetzt. Zum Schutz von Räumen werden Bewegungsmelder eingesetzt, bei denen ein piezokeramischer Wandler Ultraschallimpulse aussendet und dann die reflektierten Wellen aufnimmt. Jedes Betreten des Raumes sowie jede Bewegung innerhalb des Raumes wird erkannt. Für den Objektschutz werden kleine Sensorplatten am zu sichernden Objekt (z.B. an der Schaufensterscheibe) angebracht. Diese Sensoren nehmen den Körperschall auf und wandeln ihn in elektrische Signale um. Geräusche und Vibrationen, die durch die Werkzeuge des Einbrechers verursacht werden, reichen aus, um den Alarm gleich zu Beginn des Einbruchs auszulösen. Eine weitere Anwendung sind Geldautomaten in Banken.

 

Weitere Informationen finden Sie in unserer Broschüre
Industrielle Anwendungen,Piezokeramik
Hochleistungskeramik in der Piezotechnik
DE
ENDE
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Piezokeramische Komponenten für elektromechanische Wandler
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