Piezokeramik – Für die Mobilität von Morgen
Piezokeramiken sind aus modernen Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken. CeramTec entwickelt piezokeramische Werkstoffe und Bauteile, die selbst unter extremen Bedingungen präzise arbeiten. Unsere Lösungen vereinen höchste Messgenauigkeit, schnelle Reaktionszeiten und außergewöhnliche Robustheit. Sie unterstützen nicht nur etablierte Automobilsysteme, sondern treiben auch neue Fahrzeugkonzepte, nachhaltige Mobilität und autonomes Fahren maßgeblich voran.
Ob Füllstandsensoren, Klopferkennung, Parkabstandskontrolle oder hochpräzise Ultraschallmessungen – piezokeramische Bauteile sind heute zentrale Elemente moderner Fahrzeugsysteme.
Als Werkstoff, der mechanische Energie in elektrische Signale umwandelt, leisten Piezokeramiken einen entscheidenden Beitrag zu sicherheitsrelevanten, effizienzsteigernden und komfortorientierten Fahrzeugfunktionen.
Gleichzeitig bilden sie die Grundlage für zahlreiche Zukunftstechnologien – von energieautarken Sensorsystemen und adaptiven haptischen Oberflächen bis hin zur Ultraschallsensorreinigung und selbstüberwachenden Fahrzeugstrukturen.
Automotive-Anwendungsbeispiele auf einen Blick
Füllstandsensoren (Öl & Kraftstoff) Radauswuchtgeräte KlopfsensorenParkabstandskontrolle
Mögliche Entwicklungsprojekte:
Energy HarvestingAdaptiver FahrzeuginnenraumUltraschallbasierte autonome SensorreinigungIntelligente Werkstoffe
Technologische Expertise
Piezokeramiken sind Hochleistungswerkstoffe, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, um mechanische Kräfte, Vibrationen oder Druckänderungen direkt in elektrische Signale umzuwandeln – und umgekehrt. CeramTec verbindet technologische Vorteile mit jahrzehntelanger Materialkompetenz, Automobilerfahrung und hochpräziser Fertigung. Unsere piezokeramischen Komponenten liefern reproduzierbare Messergebnisse und ausgezeichnete Robustheit. Auf Wunsch sind auch bleifreie Varianten (BNT-BT) verfügbar.
In Füllstandsensoren fungiert die Piezokeramik als Sender und Empfänger von Ultraschallwellen. Sie erzeugt zunächst einen hochfrequenten Impuls (1–3 MHz), der sich durch die Flüssigkeit ausbreitet und an deren Oberfläche reflektiert wird. Die reflektierte Welle kehrt zum Sensor zurück, der daraus ein elektrisches Signal erzeugt.
Die Laufzeitmessung liefert eine präzise Anzeige des aktuellen Füllstands – vollkommen verschleißfrei und für On-Board-Diagnose geeignet. Diese Technologie ersetzt herkömmliche Peilstäbe durch eine digitale, moderne Lösung.
Radauswuchtgeräte
Eine piezokeramische Sensorplatte wandelt dynamische Druckschwankungen, die durch eine Seismasse erzeugt werden, in elektrische Signale um. Diese Signale ermöglichen eine schnelle und präzise Auswertung von Unwuchten im Rad – unerlässlich für Werkstätten, Erstausrüster und Reifenhersteller.
Klopfsensoren
Der piezokeramische Ring im Klopfsensor erkennt Motorvibrationen im relevanten Frequenzbereich. Bei einer klopfenden Verbrennung erzeugt die Seismasse eine charakteristische Kraft auf die Keramik, die ein deutliches elektrisches Signal erzeugt.
Die Motorsteuerung kann daraufhin unmittelbar die Zündkennlinie anpassen, den Motor schützen und den Kraftstoffverbrauch senken.
Zukunftstechnologien auf Basis piezokeramischer Werkstoffe
Innovative Konzepte – gemeinsam entwickelt
Piezoelektrische Keramikkomponenten ermöglichen zahlreiche neue Funktionsansätze im Fahrzeug – von energieautarken Sensorsystemen über intelligente Oberflächen bis hin zur Überwachung des Strukturzustands. Die folgenden Beispiele veranschaulichen mögliche Anwendungen und dienen als Inspiration für potenzielle Entwicklungsprojekte. Je nach Kundenprojekt können diese Themen bereits umgesetzt sein oder eröffnen weiteres Innovationspotenzial.
CeramTec begleitet Kunden über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg:
Von der Auswahl geeigneter Materialsysteme und der Anpassung von Geometrie, Aktor- oder Sensoreigenschaften bis hin zur Integration in Baugruppen und der Validierung unter realen Automotive-Bedingungen. Diese partnerschaftliche Zusammenarbeit führt zu maßgeschneiderten Lösungen, die sowohl technisch als auch wirtschaftlich überzeugen.
Ob in der konkreten Produktentwicklung oder in der frühen Konzeptphase – wir verstehen uns als Entwicklungspartner auf Augenhöhe mit unseren Kunden.
Die Grundschritte sind:
- Mechanische Anregung: Unebenheiten der Fahrbahn, Kurvenfahrten, Reifenverformungen oder allgemeine Vibrationsquellen erzeugen eine periodische Kraft.
- Piezoelektrische Wandlung: Die piezokeramische Schicht verformt sich unter dieser Belastung leicht und erzeugt eine elektrische Spannung.
- Elektrische Nutzung: Die erzeugte Energie wird in einem Kondensator oder Mikro-Energiespeicher zwischengespeichert und kann Mikrosensoren versorgen.
Technische Vorteile
- Energieertrag selbst bei sehr geringen Vibrationen (hohe Empfindlichkeit)
- Zuverlässig unter extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und Belastung
- Ideal für Sensortechnik in rotierenden Systemen (z. B. Reifen)
- Keine Batterie → kein Wartungsaufwand → keine Ausfälle durch Entladung
- Kompatibel mit energieeffizienter Elektronik und drahtlosen Sensoren (BLE, UHF, NFC)
Adaptiver Fahrzeuginnenraum
Funktionsprinzip
Hier wird der inverse piezoelektrische Effekt genutzt: Wird eine elektrische Spannung an einen piezokeramischen Aktor angelegt, ändert dieser seine Geometrie minimal – schnell und präzise, je nach Frequenz. So lassen sich gezielte Vibrationen oder Klick-Impulse erzeugen.
Technische Details
- Piezoaktoren bieten extrem kurze Reaktionszeiten (<1 ms).
- Hohe Frequenzbereiche (Ultraschallfähigkeit), aber auch niederfrequente haptische Signale sind möglich.
- Hohe Kraftentwicklung bei minimaler Verformung → ideal für dünne oder versteckte Einbauorte.
- Aktoren können in komplexe, gebogene Oberflächen integriert werden (Armaturenbrett, Touchflächen, Mittelkonsole).
Technische Vorteile
- Keine mechanischen Tasten → größere Gestaltungsfreiheit
- Präzises, einstellbares taktiles Feedback („Klickgefühl“)
- Widerstandsfähig gegen Schmutz, Feuchtigkeit und Alterung
- Energieeffizient (es werden nur kurze Impulse benötigt)
- Ideal für hochintegrierte Cockpits und große Touchpanels in modernen Fahrzeugen
Ultraschallbasierte autonome Sensorreinigung
Funktionsprinzip
Piezo-Ultraschallwandler erzeugen präzise, hochfrequente Schwingungen (typischerweise 20 kHz – 80 kHz). Diese Schwingungen erzeugen:
- Mikrovibrationen auf der Oberfläche (z. B. Kameraschutz), und
- Druckschwankungen im Wasser- oder Luftfilm vor dem Sensor.
Diese Mikroeffekte entfernen zuverlässig Schmutzpartikel, Staub, Wassertropfen oder Eis von der Sensoroberfläche – ganz ohne mechanische Wischer oder bewegliche Teile.
Technisch relevant sind:
- Hohe Frequenzstabilität für optimalen Reinigungseffekt
- Sehr dünnes Design der piezokeramischen Elemente
- Integration in Glas, Kunststoff oder Metall möglich
- Möglichkeit der kontinuierlichen Überwachung (geringer Stromverbrauch im Standby-Modus)
Intelligente Werkstoffe
Funktionsprinzip
Piezo-Sensoren werden als eingebettete Funktionsschichten in Strukturelemente integriert. Sie dienen gleichzeitig als:
- Sensor: erkennt Dehnung, Risse, Strukturveränderungen
- Aktor: kann gezielte Impulse aussenden, um die Struktur zu überwachen (z. B. Puls-Echo-Verfahren)
So entsteht ein sogenanntes „Structural Health Monitoring System“ (SHM).
Technische Mechanismen
- Lambwellenanalyse: Ultraschallimpulse laufen durch das Bauteil und werden an Fehlern reflektiert – die piezokeramischen Sensoren empfangen diese Signale.
- Schwingungsanalyse: Änderungen der Eigenfrequenzen zeigen Materialermüdung an.
- Quasistatische Dehnungsmessung: Piezoelemente reagieren auf Kräfte und Dehnungen.
