Piezokeramik für Leistungswandler

Piezokeramische Leistungswandler für Sonartechnik und Hochleistungs-
Ultraschall-Anwendungen

Leistungswandler-Verbundschwinger, auch Langevin-Bolt-Transducer (LBT) genannt, werden mit speziell dafür entwickelten Piezokeramiken aufgebaut, die sich durch niedrige dielektrische Verluste und hohe mechanische Gütewerte auszeichnen.

Piezokeramik für Leistungswandler

Gut zu wissen:

Anwendungen piezokeramischer Leistungswandler

  • Chirurgische Messer
  • Echolote
  • Fischfinder
  • Füllstandssensoren
  • Hydroakustik
  • Nierensteinzertrümmerer
  • Sonartechnik
  • Ultraschall-Materialbearbeitung
  • Ultraschall-Reinigung
  • Ultraschall-Schweißen
  • Unterwasserobjekterkennung
  • Zahnsteinentferner
  • Zerstörungsfreie Materialprüfung

CeramTec stellt hierfür die Werkstofftypen SONOX® P4 und SONOX® P8 mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen zur Verfügung.

SONOX® P4 eignet sich für Wandler zur Ultraschallreinigung und zur zerstörungsfreien Materialprüfung. Die hohen Koppelfaktoren, mittleren Gütewerte und die große mechanische Stabilität erlauben große Schwingamplituden im Resonanzbetrieb. Es wird eine Wirkleistung von ca. 7 bis 10 W/cm2 bei einseitiger Abstrahlung in Wasser erreicht. Die maximale Betriebstemperatur der Keramik liegt bei 125°C. Die Druckbelastung dieser Keramik hängt von den Einbaubedingungen ab (homogene Flächenbelastung) und liegt bei maximal 70 MPa Dauerlast.

„Die CeramTec Werkstoffe für Leistungswandler eignen sich besonders für Hochleistungs-Ultraschall-Anwendungen im Bereich von 20 kHz bis zu einigen MHz.“

SONOX® P8 ist für Leistungswandler mit höchster Flächenbelastung ausgelegt. Dieser Werkstoff besitzt hohe mechanische Gütewerte bei großen Koppelfaktoren und niedrigen dielektrischen Verlusten. In Verbindung mit seiner hohen Depolarisationsfestigkeit eignet er sich daher besonders für Hochleistungswandler.

Anwendungsfelder piezokeramischer Leistungswandler

Chirurgische Messer

Ein Verbundwandler, der aus mehreren kleinen piezokeramischen Ringen aufgebaut ist, schwingt in Resonanz bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 80 kHz. Hierdurch wird in einem medizinisches Werkzeug eine kleine Skalpellklinge zu Schwingungen angeregt, so dass der Chirurg kleinste, sehr präzise Schnitte mit wesentlich verminderter Schnittkraft ausführen kann, ohne umliegendes Gewebe zu schädigen.

Bauform: Ring
Werkstoffe: SONOX® P 4, SONOX® P 8

Echolote und Fischfinder

Die Einsatzgebiete für Echolotsysteme reichen von einzelnen kleinen Wandlern für Freizeitboote bis zu professionellen Systemen, die in großen Schiffen die Wassertiefe orten oder Fischschwärme aufspüren. Für die verschiedenen Systeme werden piezokeramische Wandler unterschiedlichster Geometrie eingesetzt, die einen Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 MHz abdecken. Es gibt Echolotsysteme, die mit dem gleichen keramischen Wandler senden und empfangen, aber auch sogenannte Schleppsonare, bei denen Sender und Empfänger getrennt voneinander teilweise über größere Entfernungen hinweg arbeiten. Für große Schiffe werden sogenannte Wandlerarrays aufgebaut, die aus einer Vielzahl von piezokeramischen Einzelplatten bestehen, welche individuell und elektronisch zeitverzögert angesteuert werden können. Dadurch ist eine elektronische Strahlablenkung realisierbar.

Bauformen: Runde Scheibe, Zylinder, Rechteckige Platte, Kreissegment, Kugelsegment und andere Spezialformen
Werkstoffe: SONOX® P 4, SONOX® P 5, SONOX® P 8

Füllstandssensoren – Laufzeitmessung

Bei Füllstandssensoren gibt es grundsätzlich zwei unterschiedliche Messsysteme. Die Tauchschwinger-Messung durch piezokeramische Sensoren dort und die Laufzeitmessung durch piezokeramische Leistungswandler. Die Füllstandsmessung funktioniert hier über die Laufzeitmessung eines ausgesandten und vom Füllgut reflektierten Luftultraschallimpulses. Besonderer Vorteil ist hier, dass auch der Füllstand von Feststoffen in Silos gemessen werden kann, da das Verfahren „berührungslos“ arbeitet. Ein Nachteil dieses Messprinzips ist, dass die Genauigkeit der Messung von den Reflexionseigenschaften des Füllgutes abhängt. Der piezokeramische Wandler ist darauf angewiesen, dass ein bestimmter Teil der abgestrahlten Welle auch wieder bei ihm ankommt. Wird die Wellenfront vom Füllgut zu stark gestreut oder absorbiert, ist keine vernünftige Messung mehr möglich.

Bauformen: Runde Scheibe, Lochscheiben und Spezialformen
Werkstoff: SONOX® P 4

Nierensteinzertrümmerer

Eine Vielzahl von piezokeramischen Elementen sind an der Innenseite einer konkaven Schale angebracht. Alle diese Keramiken werden zur gleichen Zeit mit einem extem kurzen Hochspannungsimpuls beaufschlagt und erzeugen eine mechanische Schockwelle. Diese lässt sich durch die konkave Form der Schale auf einen Punkt konzentrieren. Durch die hohe Energie im Fokus dieser Schockwelle werden vorhandene Nierensteine zertrümmert, so dass diese Bruchstücke den Körper auf natürliche Weise über den Harnleiter verlassen können. Auf diese Weise ist es möglich, völlig ohne Narkose, ohne chirurgischen Eingriff und fast schmerzfrei Nierensteine oder auch Gallensteine zu entfernen.

Bauform: Zylinder
Werkstoffe: SONOX® P 4, SONOX® P 5, SONOX® P 53

Sonartechnik und Hydroakustik

Bauteile aus der Piezokeramik SONOX® P4 werden zur Erkennung, Ortung und Navigation unter Wasser eingesetzt. Die Bandbreite reicht dabei von Echolotsystemen zur Erkennung von Hindernissen bis zu Wandlerarrays für große Schiffe zur Kontrolle der Wassertiefe, der Überwachung von Schleppnetzen oder der Ortung von Fischschwärmen.

Werkstoff: SONOX® P 4

Ultraschall-Materialbearbeitung

Der Aufbau und die Ultraschallerzeugung ist mit dem Ultraschallschweißen identisch, nur dass an das Ende der Sonotrode hier ein Werkzeug zur Materialbearbeitung angekoppelt ist und zusätzlich eine abrasiv wirkende Suspension verwendet wird. Durch das zu Ultraschallschwingungen in Vorschubrichtung angeregte Werkzeug werden die Körner des in wässriger Suspension zugeführten Schleifmittels ebenfalls in Schwingungen versetzt. Während eines kurzen Bruchteiles einer Schwingungsperiode befinden sich die Körner in kraftschlüssigem Eingriff mit Werkstück und Werkzeug. Während dieser Stöße wird das Werkstück in Mikrobezirken abgetragen. Dabei lassen sich fast alle Werkstoffe von Glas bis zum Hartmetall bearbeiten. Der Vorteil dieser Bearbeitungsmethode liegt in der großen Präzision und großen Oberflächengüte des bearbeiteten Teils.

Bauform: Lochscheibe
Werkstoff: SONOX® P 8

Ultraschall-Reinigung

Betrachtet man die Endgeräte, überspannt das Thema Reinigung eine sehr breite Palette von Bauformen, die vom kleinen Brillenreinigungsbad für den Optiker bis zu Industriereinigungsanlagen von 20 m Länge und mit automatischem Transportsystem reicht. Wirkungsprinzip ist, dass in einer Reinigungsflüssigkeit mittels Leistungs-Ultraschall Kavitation erzeugt wird. Kavitation ist die Bildung kleinster lokaler Gasblasen auf Grund von Druckunterschieden in der Flüssigkeit, die nach sehr kurzer Zeit wieder implodieren. Diese Kavitation sorgt an der verschmutzten Oberfläche des Füllgutes für eine intensive Reinigung, auch bei komplizierten Formen. Die Ultraschallenergie wird über Boden und Wände der Reinigungswanne oder über eingehängte Tauchschwinger in die Reinigungsflüssigkeit abgestrahlt. Die Piezoverbundschwinger, die den Ultraschall erzeugen, sind in den meisten Fällen aus mindestens zwei piezokeramischen Lochscheiben, die über zwei metallische Endstücke mechanisch vorgespannt sind, aufgebaut. Bei sehr kleinen Reinigungswannen wird einfach eine piezokeramische runde Platten mit dem Wannenboden verklebt.

Bauformen: Runde Scheibe, Lochscheibe
Werkstoffe: SONOX® P 4, SONOX® P 8

Ultraschall-Schweißen

Beim Ultraschall-Schweißen nutzt man die durch den Ultraschall erzeugte Reibungsenergie an den Grenzflächen der Verbindungspartner. Presst man zwei Formteile an ihren Verbindungsflächen aneinander und regt sie mit hochfrequentem Ultraschall an, so verschmelzen ihre Verbindungsflächen miteinander. Dies funktioniert mit Metallteilen ebenso wie mit Kunststoffteilen. Die Ultraschallenergie wird über eine sogenannte Sonotrode den Verbindungspartnern zugeführt. Die Sonotrode verstärkt den vom Piezoverbundschwinger erzeugten Ultraschall. Der Piezoverbundschwinger ist aus zwei oder mehr piezokeramischen Lochscheiben aufgebaut, die über metallische Endstücke miteinander verspannt sind. Das Ultraschallschweißen hat sich in der Industrie als sehr schnelle, kostengünstige und zuverlässige Verbindungstechnik etabliert.

Bauform: Lochscheibe
Werkstoff: SONOX® P 8

Unterwasserobjekterkennung (Sonartechnik)

Die Bezeichnung „Sonar“ kommt aus dem englischen und steht für „sound navigation and ranging“. Gemeint sind damit Systeme, die für die Erkennung, Ortung und Navigation unter Wasser eingesetzt werden. Die Einsatzgebiete für solche Systeme reichen von einzelnen kleinen Wandlern für Freizeitboote, die Fische orten oder Hindernisse anzeigen, bis zu professionellen Systemen, die in großen Schiffen die Wassertiefe orten oder Fischschwärme aufspüren. Für die verschiedenen Systeme werden piezokeramische Wandler unterschiedlichster Geometrie eingesetzt, die einen Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 MHz abdecken. Es gibt Echolotsysteme, die mit dem gleichen keramischen Wandler senden und empfangen, aber auch sogenannte Schleppsonare, bei denen Sender und Empfänger getrennt voneinander teilweise über größere Entfernungen hinweg arbeiten. Für große Schiffe werden sogenannte Wandlerarrays aufgebaut, die aus einer Vielzahl von piezokeramischen Einzelplatten bestehen, welche individuell und elektronisch zeitverzögert angesteuert werden können. Dadurch ist eine elektronische Strahlablenkung realisierbar.

Bauformen: Runde Scheibe, Zylinder, Rechteckige Platte, Kreissegment, Kugelsegment und andere Spezialformen
Werkstoffe: SONOX® P 4, SONOX® P 5, SONOX® P 8

Zahnsteinentferner

Ein Verbundwandler, der aus zwei bis acht kleinen piezokeramischen Ringen aufgebaut ist, schwingt in Resonanz bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 80 kHz und treibt ein zahnmedizinisches Werkzeug in Form eines kleinen Schabers an. Die Spitze wird dabei zusätzlich mit Wasser bzw. speziellen Flüssigkeiten gekühlt. Durch die hohe Oszillationsfrequenz des Werkzeuges bei sehr kleinen Amplituden (im μm-Bereich) ist es möglich, Zahnstein gründlich zu entfernen, ohne den Zahn zu schädigen.

Bauform: Ring
Werkstoffe: SONOX® P 4, SONOX® P 8

Zerstörungsfreie Materialprüfung

Im Maschinen-, Anlagen- und Werkzeugbau wird schon seit vielen Jahren nach der Maxime gearbeitet, mit minimalem Werkstoffeinsatz maximale Beanspruchungsfestigkeit zu erzielen. Voraussetzung dazu ist, dass die verwendeten Werkstoffe bzw. Halbzeuge frei von Fehlstellen oder Inhomogenitäten sind. Mit der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ist eine umfassende Qualitätssicherung im Produktionsprozess möglich. Neben anderen Prüfverfahren besitzt das Reflexionsverfahren die größte industrielle Verbreitung. Dabei wird ein piezokeramischer Wandler entweder direkt oder über ein flüssiges oder festes Koppelmedium mit dem zu prüfenden Werkstück verbunden. Der piezokeramische Wandler strahlt ein Ultraschallwellenpaket in den Prüfkörper ein, wo es entweder an Störstellen/Inhomogenitäten reflektiert wird oder den Prüfkörper ohne Behinderung durchdringt. Reflektierte Schallwellen werden vom gleichen Piezowandler wieder empfangen und zeigen Fehler im Material auf.

Bauformen: Runde Scheibe, rechteckige Platte, quadratische Platte
Werkstoff: SONOX® P 4

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