Piezoaktoren beweisen Dynamik, Präzision und Zuverlässigkeit

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Piezoaktor taktet den Düsenverschluss

Der zentrale Prozess der additiven Fertigung ist die Tropfenerzeugung an der Düse der Austragseinheit. „Bei der Taktung des Düsenverschlusses für die Tropfenerzeugung haben wir uns für einen Piezoaktor entscheiden, weil wir hier die notwendig hohe Dynamik und Genauigkeit für den Materialaustrag haben“, ergänzt Neff.

Das begründet sich in der Funktionsweise: Piezoaktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um und ermöglichen Bewegungen mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich. Sie erreichen Stellwege bis etwa einen Millimeter und hohe Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren Tausend Hertz. Die Austrageinheit am Freeformer arbeitet aktuell mit Frequenzen zwischen 60 und 200 Hz. „Bei der Geschwindigkeit haben wir also noch Luft nach oben“, freut sich Neff.

Der für die Taktung des Düsenverschlusses beim AKF-Verfahren eingesetzte PICMA-Piezoaktor von Physik Instrumente hat außer Genauigkeit und Dynamik noch weitere Eigenschaften, die ihn für den industriellen Einsatz in der additiven Fertigung geradezu prädestinieren. Der kundenspezifisch ausgelegte Aktor deckt Stellwege bis 90 µm mit Sub-Nanometer-Auflösung ab, ist druckbelastbar bis 3000 N und mit einer Ansprechzeit im Mikrosekundenbereich ausgesprochen reaktionsschnell. Keine andere Ventiltechnologie bietet eine solch schnelle Reaktionszeit bei vergleichbarer Baugröße.

Außerdem sind PICMA-Aktoren konventionellen, polymerumhüllten Piezoaktoren in Leistung und Lebensdauer weit überlegen, denn sie sind vollkeramisch isoliert. Ihr monolithischer Piezokeramikblock ist durch die keramische Isolierschicht vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom geschützt und erreicht so auch unter extremen Umgebungsbedingungen eine hohe Bewegungszyklenzahl.

Hohe Resonanzfrequenz für hohe Dynamik

Der monolithische Aufbau bedingt außerdem eine hohe Resonanzfrequenz, weshalb sich die Aktoren ideal für hochdynamische Anwendungen eignen. Dass die eigentlich nicht flexible Keramik dabei mitspielt, liegt daran, dass die Bewegung auf Festkörpereffekten beruht. Die Dynamik der Umpolungsprozesse wird durch die elektrische Kontaktierung und die Auslegung der Ansteuerelektronik bestimmt.

Für die Taktung des Düsenverschlusses beim Freeformer wird der Piezoaktor von einer eigenentwickelten Elektronik angesteuert, die im Schaltschrank der Maschine integriert ist.

Mittlerweile hat der Freeformer in unterschiedlichen Anwendungen bewährt, angefangen von Automotiv- und Consumerbereich bis hin zur Elektronikfertigung und Medizintechnik.

* Dr. M. Bach: Physik Instrumente, 76228 Karlsruhe

* *E.-C. Reiff: Redaktionsbüro Stutensee, 76297 Stutensee

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