Das wahre Potenzial der ‚Kraftzwerge‘

Das hätten die Curie-Brüder vor 130 Jahren wohl nicht gedacht: Piezo-Elemente sind schon lange nicht mehr nur Sensoren. „Unsere keramische Antriebstechnik bewegt tonnenschwere Maschinen, mit über 100 kHz oder mit beliebiger Amplitude bis zu 1 mm“, beschreibt Steffen Arnold von Physik Instrumente die ‚aktiven Antriebszwerge‘.

Klingt das nicht sagenhaft: bärenstark, superschnell und beliebig lang − auf bis zu 1 mm. Aber das schränkt PI-Experte Steffen Arnold sofort weiter ein: „Ja, die Piezo-Antriebstechnik hat alle drei Eigenschaften − aber nicht gleichzeitig.“ Die Piezo-Formel heißt: entweder tonnenschwer oder dynamisch oder große Amplitude. Denn Lasten, Schwingungsamplitude und -Frequenz besitzen einen unmittelbaren Einfluss zueinander. Piezokeramische Aktoren dehnen sich um etwa 1/1000 ihrer eigenen Länge aus. „Abhängig von der Anwendung sind wenige Mikrometer Hub auch absolut ausreichend“, verrät Steffen Arnold. Beispiele sind die Erzeugung von Ultraschallschwingungen für Messgeräte oder Reinigungsbäder, wo ohne Last mehrere Kilohertz bei kleinen Amplituden genügen. Geringe Lasten bei Ventilen und Pumpen erfordern mehrere 100 Hz. Mehrere Hertz sind dann für hohe Lasten etwa zur aktiven Schwingungsdämpfung nötig. „Große Hübe dagegen bedingen die serielle Anordnung mehrer Aktoren − was aber irgendwann keinen Sinn mehr ergibt“, betont Steffen Arnold. Denn für 250 µm Hub wäre der Aktorstapel beispielsweise 25 cm lang − „und dann nicht mehr wirklich kompakt und nicht mehr bruchfest, wenn der Durchmesser zu dünn ist.“ Alternativ empfiehlt Steffen Arnold, abhängig von den Anforderungen an Last und Dynamik, viel einfacher mit mechanischen Hebelkonstruktionen die Stellwege zu vergrößern.

Wie präzise ist aber ein Piezo? „Die Bewegung des Piezos beruht auf Verschiebungen im Kristallgitter unter einem elektrischen Feld. Der Piezo reagiert auf kleinste Änderungen der Betriebsspannung und erreicht Bewegungsauflösungen unterhalb einem Nanometer“, sagt Steffen Arnold. Prinzipbedingt besteht ein nicht ganz linearer Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und der Auslenkung des Piezos. Diese Nichtlinearität könne bis zu 10 % der Gesamtauslenkung betragen, sie sei aber ohne Belang, wenn man nur von Null auf einen bestimmten Hub fahren will. Besteht die Aufgabe aber darin, definierte Zwischenpositionen zu erreichen, sind nach Erfahrung von Steffen Arnold Positionssensoren gefragt, die mit einem klassischen PID-Regler leicht unter 1% Nichtlinearität kommen − und etwas aufwändiger auch unter 0,01% gedrückt werden können.

Und die Kräfte? Nach oben hin begrenzt PI beziehungsweise der gruppeneigene Hersteller PI Ceramic die Piezoaktoren auf einen Durchmesser von 56 mm und eine Kraft von 78.000 N (7,8 t). Ist mehr Kraft nötig, können mehrere Aktoren parallel geschaltet werden. „Was für die Positionierung gilt, trifft auch auf die Eigenschaften als Sensor zu“, sagt Steffen Arnold und verweist damit auf die Umkehrung: „Kleinste Kraft-, Druckänderungen oder Beschleunigungen führen bereits zu einer messbaren Ladungsverschiebung, weswegen Piezokeramiken auch als Sensor eingesetzt werden.“ Darüber hinaus können die Keramikelemente kurze Ultraschallimpulse aussenden und empfangen. Aus den gemessenen Laufzeiten können beispielsweise Abstände, Durchflussraten oder Füllstände bestimmt werden.

Das Maß für den Stromverbrauch gibt auch beim Piezoaktor die elektrische Kapazität vor. Um den Aktor zu laden oder zu entladen werden elektrische Ströme benötigt, die abhängig sind von der elektrischen Kapazität des Aktors. Ein klassischer PICMA-Multilayer-Aktor mit 15 µm Auslenkung, wie er in vielen Nanopositioniersystemen von PI verwendet wird, besitzt beispielsweise eine elektrische Kapazität von 1,5 µF. „Der Aktor wird so ausgewählt, dass er zur zu bewegenden Last, Amplitude und Dynamik passt“, definiert Steffen Arnold. „Wenn der Aktor mit 100 Hertz über den vollen Hub ­sinusförmig scannen soll, finden also 100 Ladungen und Entladungen des Aktors pro Sekunde statt, hat der dafür notwendige Verstärkerstrom einen Wert von etwa 15 mA“. Die elektrische Verstärkerleistung beträgt ca. 1,5 W. Das verhält sich laut Steffen Arnold proportional mit der Kapazität und der Frequenz. „Der Einfluss der Last ist indirekt. Je größer die Last, desto ‚dicker’ muss der Piezoaktor sein − sie geht also über die Kapazität ein.“ Anders als beispielsweise bei Schrittmotoren jedoch, benötigen Piezoaktoren und Piezomotoren keinen elektrischen Strom, wenn sie ihre Position beibehalten. Dadurch erwärmen sich die Antriebe nicht, ein wichtiger Punkt für die Arbeit im Vakuum oder für energetische Betrachtungen.

„Piezokeramische Aktoren und Motoren werden häufig in der Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt“, meint Steffen Arnold, denn dort habe die Kommerzialisierung der Nanotechnologie bereits begonnen. Hier wird ein hohes Augenmerk auf die Zuverlässigkeit der Antriebe gelegt. „Die Präzisionspositionierung wird tief im Herzen der Belichtungs- und Inspektionsmaschinen eingebaut. Jeder Ausfall kostet richtig Geld und ist nicht tolerabel! Daher sind die Anforderung an die Zuverlässigkeit wirklich extrem, und wir erfüllen sie“, so Steffen Arnold weiter. In punkto Lebensdauer sieht der Experte vor allem die elektrischen Einflüsse als kritisch an. Wesentliche Einflussfaktoren sind für den statischen Betrieb die Höhe der permanent angelegten Spannung am Aktor, die Luftfeuchtigkeit und die Umgebungstemperatur. „Die Spannung besitzt dabei den größten Einfluss auf die Lebensdauer“, erklärt Steffen Arnold. PI Ceramic berechnet für die PICMA-Aktoren die Lebensdauer nach der eigens entwickelten Formel. Demnach ergibt das eine MeanTime To Failure von 11 Jahren bei 75 % Feuchtigkeit, Raumtemperatur und konstanter Spannung von 100 V. Bei nur 80 V steigt die Lebensdauer drastisch um Faktor 12 (also auf rund 130 Jahre) und sinkt auf 1 Jahr bei 120 V.

Die beiden Tode des Aktors

Der Preis der Piezoaktoren hängt nach Angaben von Steffen Arnold stark von den Stückzahlen ab. „Die gängigsten sind die P-885-PICMA-Aktoren mit einer Grundfläche von 5x5 mm und einer Höhe von 18 mm bei 15 µm Hub. Die gibt es dann laut Liste pro Stück für etwa 160 Euro. Bei Stückzahlen im Bereich von einigen tausend Stück pro Jahr sinkt der Preis auf wenige 10 Euro.“ PI verkauft nicht nur die Aktoren, sondern bietet diese in unterschiedlichen Integrationsstufen an, die dem Kunden nach Angaben von Steffen Arnold einiges an Integrationsaufwand ersparen. „Es geht in den Bereich einiger weniger Euro mit kleinen Piezoplättchen zur Schwingungserzeugung oder als Sensor.“ Die Größten seien eher exotisch. Für Hochlastaktoren müssen jedoch mehrere 1.000 Euro veranschlagt werden.

„Piezokeramiken sind von Natur aus empfindlich gegen Zugkräfte und seitliche Belastung“, klärt Steffen Arnold auf. Sie brechen schnell bei mechanischer Überbeanspruchung. „Diese gilt es in der Applikation zu vermeiden“, warnt Arnold. Besonders die dynamischen Kräfte, die auftreten, wenn hohe Lasten schnell bewegt werden sollen, sind nach Erfahrung von Steffen Arnold dabei zu beachten. Zudem verweist er noch auf das elektrische Gefahrenpotenzial. Denn Piezokeramiken benötigen hohe elektrische Felder an ihren einzelnen Schichten, damit sie auslenken. Wird eine Position ausgelenkt gehalten, liegt das elektrische Feld permanent an. Ein starkes, permanentes Feld zieht Wassermoleküle aus der Umgebung an und kann zum Aufbau einer leitenden Verbindung zwischen den Piezoschichten führen. Die leitende Verbindung führt zum Kurzschluss und der Zerstörung des Aktors. Hierfür bieten PI Ceramic und PI eine Lösung: „Eine keramische Isolationsschicht ersetzt bei Piezoaktoren der PICMA-Baureihe die herkömmliche polymerische und vermeidet so das Eindringen von Wassermolekülen. Lebensdauer- und Vergleichsmessungen bestätigen die hohe Zuverlässigkeit dieser Piezokeramiken vor allem bei hoher Luftfeuchtigkeit,“ so Steffen Arnold.

Als Idealbesetzung sieht Steffen Arnold seine Piezos dort, wo Schwingungen erzeugt werden sollen, für Ultraschall, Pumpen, Ventile. Oder dort, wo durch gegenläufige Bewegungen unterdrückt werden sollen: etwa zur aktiven Schwingungsisolation und Adaptronik. „Ideal sind unsere Piezos auch, wenn Sie hochgenau Kraft erzeugen wollen, in Adaptronik-Systemen und Werkzeugmaschinen, die zum Unrunddrehen oder Formdrehen verwendet werden.“ Nicht minder effektiv sind die Piezos zum hochgenauen Dosieren, etwa zur Nano­literdosierung in Biotechnologie und Medizin, oder um hochpräzise Bewegungen mit Genauigkeiten weit unter einem Mikrometer ausführen zu können, z.B. in der Nanopositionierung, der Mikroskopie oder der Halbleitertechnik. „Interessant sind auch­ Piezomotoren; Piezoaktoren werden so verwendet, dass sie unendliche Stellwege eines linearen Läufers oder einer rotierenden Scheibe bewirken können. Sie sind klein, stark, schnell und bieten einige Vorteile gegenüber Motor-Spindel-Kombinationen − und davon gibt es in der Automatisierung, Handling, Medizintechnik, Mikroskopie reichlich. Konkrete Beispiele unterliegen leider häufig Geheimhaltungsvereinbarungen mit unseren Kunden“, begrenzt Steffen Arnold seine Auskunftsfreudigkeit. „Im wissenschaftlichen Bereich sind wir jedoch in der Lage, Proben im Bereich einzelner Atomlagen zu bewegen und auf Position zu halten.“ Dies wird etwa benötigt, um in der Rasterkraftmikroskopie einzelne Molekül-Strukturen zu erkennen oder in „optischen Traps einzelne Moleküle biologischer Proben zu verfolgen und festzuhalten“, doziert der Piezo-Experte. Die Zukunft sieht Steffen Arnold nicht allein im wachsenden Markt der Nanopositionierung. „Dort ist der Piezoaktor alleine nicht mehr systembestimmend. Die Leistungsfähigkeit wird vielmehr durch die Ansteuerung und Regelung festgelegt. PI bietet dazu digitale Steuerungen an, die verbesserte Scan-Linearitäten oder optimiertes Einschwingverhalten aufweisen.“ Stichworte für künftige Anwendungen seien Structural Health Monitoring oder Energy Harvesting. „Hier werden Piezoplättchen einlaminiert und können als Verbundwerkstoff in Strukturen eingebettet werden. Diese werden sowohl aktorisch als auch sensorisch eingesetzt“, erklärt Steffen Arnold. Verschiedene Arten von Piezomotoren zielten unmittelbar in die Domäne der Gleichstrom- und Schrittmotoren. „Hier geht es darum, schneller, kleiner und billiger zu sein als die herkömmlichen Antriebe im Bereich der Sub-Zehntel-Millimeter-Präzision“, so Steffen Arnold. W

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