Experimentelle Schädigungsanalysen und Entwicklung numerischer Modelle zur Vorhersage der Lebensdauer von Piezoaktuatoren in Werkzeugmaschinen
Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde eine wissenschaftlich fundierte Vorgehensweise zur Untersuchung von anwendungsrelevanten Fragen zu Grenzbelastung, Versagensmechanismen und Lebensdauerabschätzung für flächige, piezoelektrische Aktuatoren bzw. Sensoren entwickelt. Dies schließt die Bestimmung der charakteristischen Aktuator- bzw. Sensorfunktion im Ausgangszustand, quasistatische und zyklische Tests unter mechanischer und elektrischer Belastung sowie unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und die Identifizierung typischer Versagensmechanismen ein. Die Bewertung der experimentellen Ergebnisse mittels geeigneter analytischer und numerischer Modelle erlaubte schließlich die Berechnung der zu erwartenden Lebensdauer der untersuchten Komponenten. Zur experimentellen Untersuchung der Sensorfunktion sowie der Belastungsgrenzen und der Lebensdauer unter mechanischer Belastung wurde ein 4-Punkt-Biegeversuch konzipiert. Durch gleichzeitige Messung der Dehnung am PZT-Modul und der durch den piezoelektrischen Effekt erzeugten elektrischen Ladung, konnte im Versuch in situ die Sensorwirkung der Probe kontrolliert werden. Mit dieser Belastungseinrichtung wurden in quasistatischen Versuchen mit stufenweise gesteigerter Belastung jeweils im Zug- und Druckversuch sowie unter verschiedenen Umgebungstemperaturen (von -40 °C bis +100 °C) die Belastungsgrenzen der PZT-Module und die jeweils typischen Versagensmechanismen ermittelt. Durch zyklische Dauerversuche, ebenfalls im 4-Punkt-Biegeaufbau, bei verschiedenen Belastungsniveaus unterhalb der ermittelten Grenzbelastungen wurden die Lebensdauern der Module unter der jeweiligen Belastungsart untersucht. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen konnte ein temperaturabhängiges Lebensdauerdiagramm der Module unter Zugbelastung erstellt werden, wobei als relevanter Versagensmechanismus die Degradation der Sensor- und Aktuatorwirkung durch Rissbildung in der PZT-Keramik identifiziert wurde. Unter Druckbelastung konnte hingegen auch bei relativ hohen Belastungen (Dehnung bis zu -0.6 %) keine mechanische Schädigung der Module festgestellt werden. Es zeigte sich jedoch eine starke Nichtlinearität sowie eine Degradation der Sensorfunktion mit steigender Kompression. Die Degradation erwies sich als reversibel durch erneute elektrische Polarisierung der Probe. Zur numerischen Analyse der experimentellen Ergebnisse wurden sowohl lineare piezoelektrisch gekoppelte Materialmodelle (ABAQUS) eingesetzt, als auch zusätzliche Berechnungen unter Berücksichtigung von nichtlinearem, hystersebehafteten, ferroelektrischen Materialverhalten durchgeführt. Mit beiden Methoden konnte im Rahmen ihrer Gültigkeit eine gute Berechenbarkeit der experimentell erzielten Aktuator- bzw. Sensorfunktion der Module gezeigt werden. Finite-Elemente (FE) Analysen mit simulierten Rissen in der PZT-Keramik der Module bestätigten den Zusammenhang zwischen der beobachteten Degradation der Sensorfunktion und den auftretenden Rissen unter Zugbelastung, im Gegensatz zu einer ursprünglich ebenfalls für möglich gehaltenen ermüdungsbedingten Degradation der piezoelektrischen Materialeigenschaften. Durch fraktorgrafische Untersuchungen der Rissoberflächen der PZT-Platten im Rasterelektronenmikroskop (REM) und analytische Berechnungen der Spannungsintensitätsfaktoren an den beobachteten Bruchursprüngen wurde die Eignung bruchmechanischer Modelle zur Beschreibung des Versagens der PZT-Module durch Rissbildung unter Zugbelastung bestätigt. Basierend auf der Auswertung des experimentellen Lebensdauer-Diagramms nach dem Paris- Gesetz für zyklisches Ermüdungsrisswachstum kann die Lebensdauer für beliebige Zugbelastungen berechnet werden. Durch Analyse der übertragbaren Schubkräfte kann auch die zu erwartende Degradation der Sensor- bzw. Aktuatorfunktion in Abhängigkeit von der Rissanzahl bestimmt werden. Die Aktuatorfunktion der PZT-Module wurde in Versuchen mit unipolarer sowie bipolarer elektrischer Ansteuerung der Module auf verschiedenen Substraten untersucht. Die höchsten Klemmkräfte wurden durch einen Biegeaktuatorversuch auf extrem steifem Glassubstrat, unter einem bipolaren elektrischen Feld von -500 V/mm bis +2000 V/mm erzielt. Dabei wurde bei erreichten Lebensdauern von über 108 Zyklen der elektrische Durchschlag als typischer Versagensmechanismus identifiziert. Aufgrund des Bedarfs der Partner im SPP wurden zusätzlich an PZT-Stapelaktuatoren, die in vielen Projekten zum Einsatz kamen, Untersuchungen zu Grenzbelastungen unter verschiedenen, einsatzrelevanten Randbedingungen durchgeführt. Für diese Aktuatoren liegen jeweils Herstellerangaben zu Einsatzgrenzen unter Standardbedingungen vor, d.h. axiale Belastung unter Druck-Vorspannung und unter Vermeidung von Querkräften. Zur Ermittlung der Grenzbelastungen wurden Versuchsreihen unter Zug-, Biege- sowie Schubbelastung an Stapelaktuatoren des Herstellers CeramTec AG ausgeführt. Die Untersuchungen ergaben eine Zugfestigkeit von bis zu 6,6 MPa und aufnehmbare Biegemomente in der Größenordnung von bis zu 1 Nm. Bei überschreiten der Grenzbelastungen trat jeweils sprödes Versagen ein, i.d.R. in der Elektroden- Grenzfläche. Auch Schubspannungen konnten bis zu 20 MPa erreichen, bevor Versagen in den Grenzflächen der Elektroden einsetzte. Durch überlagerte axiale Druckbelastung wurde jeweils eine positive Beeinflussung des Schädigungsverhaltens in Richtung höherer Grenzbelastungen beobachtet. Die entwickelte kombinierte experimentelle und analytische Methodik soll in Zukunft weiterhin zur Lebensdaueruntersuchung flächiger piezoelektrischer Aktuatoren/Sensoren angewandt werden. Durch die im Laufe der Projektzeit entstandenen Industriekontakte bzw. durch die Publizierung der Ergebnisse haben sich bereits zwei aussichtsreiche Anfragen aus der Industrie ergeben. Die erarbeitete Kompetenz zur numerischen Simulation von aktiven Systemen soll im Rahmen geeigneter Projekte genutzt und erweitert werden. So z.B. in einem beantragten BMBF-Verbundprojekt „CNT.Pumpe“ zur optimierten Entwicklung eines Membranpumpenmoduls zur Anwendung in implantierbaren, steuerbaren Infusionspumpen bzw. in der Mikrosystemtechnik. Des Weiteren ergibt sich aus den erzielten Ergebnissen des Projekts die Erkenntnis, dass offensichtlich nicht nur unterkritisches Risswachstum, sondern auch ein zusätzlicher zyklischer Effekt zum beobachteten Ermüdungsrisswachstum in der piezoelektrischen Keramik beiträgt. Dieser Effekt wurde zwar auch von weiteren Forschungsgruppen beobachtet, aber zu den grundlegenden Mechanismen dieses Effekts wurden noch keine genaueren Erkenntnisse publiziert. In Anlehnung an die Interpretation ferroelektrischer Domänenumorientierungsprozesse im Sinne von plastischer Verformung an der Rissspitze zur Erklärung des R-Kurvenverhaltens in ferroelektrischen Keramiken wird davon ausgegangen, dass auch die Effekte des zyklischen Ermüdungsrisswachstums auf „quasi-plastische“ Umformungsvorgänge im Ferroelektrikum zurück zu führen sind. Eine genauere Erforschung dieser Vorgänge beim Ermüdungsrisswachstum wäre von großem Interesse. Hierfür können die im Rahmen des Projekts gewonnenen Einsichten in die makro- und mikromechanische Materialmodellierung im Rahmen eines möglichen Verbund- Forschungsvorhabens eine gute Ergänzung zu nötigen experimentellen Untersuchungen bilden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2003. Reliability of piezoceramic patch sensors under cyclic mechanical loading. Smart Mater. Struct. 12, 993-996
Thielicke B, Gesang T und Wierach P
- 2005. Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Lebensdauer von flächigen PZT-Funktionsmodulen. Proc. 15. Symposium der DGM Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, 6. - 8.April 2005, Kassel, Frankfurt: MAT-INFO Werkstoff-Informationsgesellschaft, 2005/ISBN 3-88355-340-9, 427-432
Gall M, Thielicke B und Poizat C
- 2005. Experimentelle Untersuchungen und FE-Simulation zum Sensor- und Aktuatoreinsatz von flächigen PZT-Funktionsmodulen. Proc. Adaptronic Congress 2005, 31. Mai / 01. Juni, Göttingen, Beitrag 22
Gall M, Thielicke B und Poizat C
- 2005. Finite Element Formulation of a Piezoelectric Continuum and Performance Studies of Laminar PZT-Patch-Modules,. In: Coupled Nonlinear Phenomena — Modeling and Simulation for Smart, Ferroic, and Multiferroic Materials, edited by R.M. McMeeking, M. Kamlah, S. Seelecke, and D. Viehland (Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 881E, Warrendale, PA), CC3.3
Gall M, Thielicke B, Poizat C und Klinkel S
- 2006. Lebensdaueruntersuchungen von PZT-Flächenkompositen im Sensor- und Aktuatoreinsatz. Tagungsband DVM – Arbeitskreis Zuverlässigkeit mechatronischer und adaptronischer Systeme, DVM-Bericht 901, ISSN 1862-4685, 53-62
Gall M und Thielicke B
- 2007. Lebensdauer von Piezo-Aktoren. Konstruktion, 9-2007, IW 10, Springer-VDI- Verlag
Gall M
- 2007. Life-span investigations of piezoceramic patch sensors and actuators. SPIE conf. on Smart Structures and Materials & Nondestructive Evaluation and Health Monitoring 2007, Behavior and Mechanics of Multifunctional and Composite Materials, Marcelo J. Dapino (ed.), proceedings of SPIE volume 6526, ISBN: 9780819466471
Gall M and Thielicke B
- 2008. Development of an Implantable Peristaltic Micropump System. proc. Actuator 2008, 11th Int. Conf. on New Actuators, Bremen, Germany, 827-829
Schreiner H-J, Baier T, Baumann H, Bindig R, Gall M, Schmitz H and Thielicke B
- 2008. Influence of Cyclic Loading and Temperature on Integrity of Piezoceramic Patch Transducers. Proc. of SMASIS08, (ASME Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, October 28-30, 2008, Ellicott City, MD, USA), paper 341
Gall M and Thielicke B
- 2009. Development of a Peristaltic Micro Pump System – Conceptual Design and Optimization by Simulation. Proc. Adaptronic Congress 2009, 19. / 20. Mai 2009, Berlin, 169-177
Gall M, Baier T, Baumann H, Bindig R, Henke P, Latta D, Schmitz H, Schreiner H-J and Thielicke B
- 2009. Influence of cyclic loading and temperature on integrity of piezoceramic patch transducers. In: Review of Aeronautical Fatigue Investigations in Germany during the Period May 2007 to April 2009, Ed. C. Dalle Donne, P. Vermeer, CTO/IW/MS-2009-076 Technical Report, International Committee on Aeronautical Fatigue, ICAF 2009, EADS Innovation Works Germany, 57-58
Gall M und Thielicke B
- 2009. Integrity of piezoceramic patch transducers under cyclic loading at different temperatures. Smart Mater. Struct. 18,104009
Gall M Thielicke B and Schmidt I
- Computergestützte Multiskalenmodellierung zur Virtuellen Entwicklung Polykristalliner Ferroelektrischer Materialien (COMFEM). 2009, WING-nano WING-nano.DE 2009, Werkstoff- und Nanotechnologien: "Rohstoff" für Innovationen, 1.-3. April 2009, Ulm
Konstandin A, Kunz L, Vedmedenko O, Marton P, Gall M, Völker B, Steinkopff T, Elsässer C, Kamlah M, Hennig E and Schreiner H-J
- 2009/2010, Buchbeitrag zum wissenschaftlichen Bericht des gesamten SPP (Jahrbuch), Hrsg. Prof. Hesselbach et al. als Koordinator des SPP
Gall M und Thielicke B
