Piezocomposite - Anwendungen in der Prüftechnik

Die immer schneller fortschreitende Entwicklung von Materialien und Komponenten stellt im gleichen Maße auch die Prüftechnik vor immer neue Aufgaben. Wachsenden Anforderungen an die Belastbarkeit z.B. von Bauteilen machen zum Teil neuartige Ansätze in der Werkstoffprüfung nötig. In den letzten Jahren hat sich hier zunehmend der Einsatz von Piezoaktoren bewährt. Insbesondere die Kombination aus Krafterzeugung und Dynamik von Piezocomposite Aktoren von piezosystem jena bietet hier viele Vorteile, die in dieser Kombination von konventionellen Antriebskonzepten nicht erreicht werden.

Sie haben eine Frage oder eine konkrete Problemstellung? Unsere Mitarbeiter beraten Sie gern.

 

 

Prüfverfahren mit erhöhter Prüffrequenz

Stand der Technik

In mechanischen Prüfverfahren, wie etwa Ermüdungstests zur Untersuchung der Betriebsfestigkeit, werden die Prüflinge oft hohen Belastungen ausgesetzt. Konventionelle Prüfantriebe sind zwar in der Lage hohe Kräfte aufzubringen und so definierte Kraft-Weg-Profile der Prüflinge zu ermitteln,  jedoch sind sie in ihrer Dynamik stark begrenzt. Aktuell werden höhere Prüffrequenzen vorzugsweise mit resonanten Belastungsprozeduren erzielt. Sogenannte Resonanzprüfmaschinen, wie sie in der Schwingungsprüfung bei Dauerschwingversuchen zur Verwendung kommen, werden elektromagnetisch oder servohydraulisch betrieben. Dabei können:

  • Prüfkräfte bis 1000 kN
  • Frequenzen bis 350 Hz

erzeugt werden. Die Wahl der Frequenz beschränkt sich dabei allerdings auf fest abgestufte Frequenzen, die durch das Aktivieren/Deaktivieren von Gewichten eingestellt werden.

 

Vorteile von  Piezocomposite-Lösungen

Piezocomposite sind nicht an eine starre Frequenz oder Signalform gebunden, da sie in der Regel subresonant arbeiten. Hub, Kraft und Arbeitsfrequenz können beliebig gewählt werden. 
 

  • Durchstimmbarer Frequenzbereich bis 2 kHz
  • Hübe bis 200 µm
  • Kräfte bis 50 kN

Die Kombination aus Krafterzeugung, Belastbarkeit und Dynamik macht es möglich Prüfzyklen bei hohen Wiederholraten ablaufen zu lassen. Damit können deutlich kürzere Prüfzeiten erreicht und somit Prüfkosten unter Umständen deutlich reduziert werden. Damit sind Piezocomposite-Aktoren unter anderem Einsetzbar für:

  • Ermüdungstests/(Very-) High Cycle Fatigue Tests
  • Dauerschwingversuche
  • Fretting Tests/Tribologie
  • Härtetests
  • Reibkorrosionstests

 

 

Modalanalyse

Unter Modalanalyse versteht man  Verfahren zur Charakterisierung schwingfähiger Systeme hinsichtlich verschiedener Parameter wie Eigenfrequenzen und Schwingungsmoden. Sie findet weite Verbreitung in der Forschung und Entwicklung sowie in industriellen Anwendungen. Mit ihrer Hilfe können die strukturmechanischen Eigenschaften von Bauteilen oder Werkstücken bestimmt werden.

 

Stand der Technik

Nicht selbst schwingende Komponenten wie Karosserie- oder Gehäuseteile müssen für eine Modalanalyse fremderregt werden. Diese Anregung erfolgt durch:

  • Impulshämmer
  • elektrodynamische bzw. hydraulische Shaker,
  • Unwuchtmotoren

Diese Anregungsmethoden haben jedoch den Nachteil, dass Sie zum einen nicht gut reproduzierbar sind (Impulshammer), oder nur bei niedrigen Frequenzen arbeiten.

 

Vorteile von Piezocomposite-Lösungen

Piezoelektrische Shaker von piezosystem jena sind für die Schwingungsanregung hervorragend geeignet. So können mit piezoelektrischen Shakern:

  • Schwingungen bis 100 kHz erzeugt werden, 
  • der mögliche Frequenzbereich stufenlos durchfahren werden,
  • Beschleunigungen bis einige 10‘000 m/s² (1000 g) erzeugt werden,
  • die Schwingungsparameter sehr genau reproduziert werden.

Im Gegensatz zu klassischen piezoelektrischen Ultraschallgebern arbeiten Piezoshaker nichtresonant, können aber auch so angepasst werden, dass sie bei, bzw. oberhalb ihrer Resonanzfrequenz arbeiten können. Durch die hohe Energiedichte und die vergleichsweise kompakte Bauweise eignen sich unsere Piezoshaker auch für Körperschalluntersuchungen an miniaturisierten Komponenten oder an schwer zugänglichen Stellen.

Ein alternativer Ansatz z.B. zur akustischen Resonanzanalyse besteht in der Verwendung piezoelektrischer Stoßgeneratoren. Dabei ein scharfer mechanischer Stoß erzeugt und somit ein entsprechend breites Frequenzband angeregt. Im Vergleich zum kontinuierlich arbeitenden Piezoshaker sind hierbei Wiederholrate und Pulsleistung entkoppelt. Ein weiterer Vorteil dieser Stöße liegt in ihrer extremen Reproduzierbarkeit, die so mit Impulshämmern nicht zu erreichen ist. Es lassen sich so Stöße mit:

  • Pulsdauern bis zu wenigen 10µs
  • Beschleunigungen bis über 100‘000 m/s² (10‘000 g)
  • präziser Triggerbarkeit im µs-Bereich

erzeugen.

 

 

Defektanalyse/NDT

Eine weitere prüftechnische Anwendung für Piezocomposite stellt die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung dar. Insbesondere finden sie Anwendung in der Defektanalyse. Hierbei können Piezocomposite als Schwingungs- oder Stoßerreger verwendet werden. Der weite Frequenzbereich, in dem unsere Produkte eingesetzt werden können, ermöglicht es, verschiedenste Strukturen anzuregen. So können piezoelektrische Shaker oder Stoßgeneratoren als Erreger mit Frequenzen bis weit in den Ultraschallbereich hinein verwendet werden. Je nachdem, was für Strukturen angeregt werden sollen, kann die Response des Prüflings über verschiedenste Messverfahren wie zum Beispiel:

  • Schalllaufzeitmessung
  • Interferometrie
  • Shearografie
  • Thermografie u.ä.

ermittelt werden, um Aussagen über Materialeigenschaften oder etwaige Schadensbilder zu erhalten.

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