Bleifreie programmierbare multistabile piezo-thermische Aktoren (LEAP)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Hanemann; Professor Dr. Matthias Wapler
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438866249

Ziel des Projekts ist die Entwicklung multistabiler und programmierbarer Aktuatoren mit kombinierter piezo- und thermischer Aktuation. Zusätzlich zur Verbesserung von Leistungsfähigkeit und Funktionalität werden hierbei Aktoren aus bleifreier Piezokeramik realisiert - eine große Herausforderung der Piezoaktorik: Bleiverbindungen sind aufgrund der hohen Toxizität von Blei und der Gefahr des Eintrags in Umwelt bei unsachgemäßer Entsorgung pauschal durch die ROHS Richtlinien in Elektronikprodukten verboten. Das derzeit verwendete Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) kann nur noch aufgrund einer vorübergehenden Ausnahmegenehmigung verwendet werden.Wir adressieren dabei die folgenden Probleme thermischer und piezoelektrischer Aktoren sowie bleifreier Piezokeramiken: a) Obwohl mit Knick- und Biegemechanismen Auslenkungen verstärkt werden können sinkt dadurch die maximale Kraft bzw. das Produkt aus Kraft und Stellweg ist nahezu konstant.b) Bleifreie Piezokeramiken haben deutlich geringere Piezokoeffizienten als PZT.c) Thermische Aktoren haben einen hohen Energieverbrauch, auch zum Halten der Position.d) Knickaktoren haben in der Regel nur einen Grundzustand und zeigen Multistabilität allenfalls im aktuierten Zustand.e) Neben gewollten oder ungewünschten Dehnungen verändert die Temperatur das piezoelektrische Verhalten und depolarisiert Piezomaterialien bei Überschreiten der Curietemperatur.f) Bleifreie Piezokeramiken haben eine niedrigere Curietemperatur.Ein Grundkonzept sind Aktoren mit mechanisch multistabilen Grundzuständen zwischen denen kombiniert thermisch und piezoelektrisch geschaltet wird, was höhere Energiebarrieren als mit rein piezoelektrischer Aktuation ermöglicht (d). Dadurch wird der Leistungsbedarf gering gehalten (c), bei gleichzeitig höheren Auslenkungen und Kräften (a) und (b). Piezoaktuation wird dann zur Feineinstellung nahe der stabilen Zustände verwendet, wobei das Ziel überlappende Einstellbereiche und somit eine kontinuierliche Einstellbarkeit sind. Das zweite Grundkonzept ist das Umpolen zwischen unterschiedlichen mikroskopischen Polungsmustern in der Keramik mit kombinierter Polarisation in und senkrecht zur Ebene mithilfe des Heizens zur Curietemperatur wobei (e) und (f) zum Vorteil werden. Die remanente Dehnung der Piezokeramik definiert dann zusätzliche stabile Zustände und die Aktoren werden auf unterschiedliche elektromechanische Antwort programmiert. Neben zusätzlicher Funktionalität wird damit auch der Gesamtstellweg vergrößert.Auf mechanischer Seite werden vorgespannte planare Federsysteme mit nicht-trivialen Knickzuständen entwickelt, wobei sowohl Feinjustage als auch für nicht-triviale Übergänge kombiniertes Knicken und Biegen verwendet wird. Zur Vereinfachung des Aufbaus sollen die Piezokeramiken über Ultraschall ohne zusätzliche Kontakte geheizt werden. Ähnlich soll untersucht werden ob und wie der Aktuationszustand des Gesamtsystems über das Impedanzspektrum der Piezoaktoren bestimmt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen