Winzige Piezo-Aktoren benötigen zu ihrem Schutz robuste Gehäuse, in die sie unter Vorspannung eingebaut werden. Forschern ist es nun gelungen, dafür das Selektive Laserschmelzen (SLM) als additives und flexibles Fertigungsverfahren einzusetzen.
Ein dichtes Gehäuse verbessert die Zuverlässigkeit von Piezo-Aktoren, denn ohne Gehäuse oder anderen Schutz verringern Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Schmutz und Hitze die Lebensdauer. Bislang waren bei der Herstellung von Aktor-Gehäusen wegen der nötigen Vorspannung viele einzelne Teile erforderlich, was die Kosten in die Höhe trieb. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt setzten sich nun zum Ziel, das Aktor-Gehäuse als ein Bauteil zu fertigen. Dafür griffen sie die Idee auf, ein additives Fertigungstechnologien einzusetzen und damit auch in der Formgebung frei und flexibel zu bleiben: Mit Hilfe des selektiven Laserschmelzens (SLM) lässt sich der Piezo-Aktor nun mit einem auf die Anwendung angepassten, individuellen Gehäuse versehen. Das Gehäuse kann in seinen mechanischen Eigenschaften sehr variabel gestaltet werden.
SLM ist eine kommerziell verfügbare und gut etablierte Fertigungstechnologie, die aus verschiedenen Metallpulvern feste Teile fertigt. Dabei wird das Metallpulver durch einen Laserstrahl auf seine Schmelztemperatur erhitzt. Durch die schichtweise Zugabe von Material lassen sich feste Teile direkt aus CAD-Daten erstellen, ohne dafür teilespezifische Werkzeuge anfertigen zu müssen. So lässt sich ein Großteil des Aufwandes für Werkzeuge einsparen und die Herstellungskosten von komplexen Teilen in eher kleinen Stückzahlen spürbar senken. Als Aktor wählten die Forscher einen im Handel erhältlichen piezokeramischen Stapelaktor mit einer maximalen Blockierkraft von 2 kN und einer maximale Dehnung von 45 μm. Die Größe des Aktors beträgt 7 x 7 x 32 mm.
Direkte Herstellung des Gehäuses
Vor der größten Herausforderung standen die Darmstädter Forscher, als es darum ging, den Piezoaktor während der Herstellung des SLM-Gehäuses zu integrieren, so dass die benötigte Vorspannung gewährleistet wird. Zu diesem Zweck unterbrachen die Wissenschaftler den Prozess des selektiven Laserschmelzens an einer bestimmten Höhe. In diesem Stadium integrierten sie den Aktor und setzten anschließend den SLM-Prozess zur Herstellung des Metallgehäuses fort.
Während des Prozesses treten Temperaturen von durchschnittlich 180 °C im Pulverbett auf. Der hieraus resultierende thermische Schrumpf des Gehäuses führt schließlich zu der benötigten mechanischen Vorspannung des Aktors im Inneren, die sich vorteilhaft auf die Antriebsleistung und die Zuverlässigkeit auswirkt.
os
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