Piezoaktorik und PIEZOMECHANIK
Die Piezoaktorik, d.h. Antriebstechnik mit Hilfe von piezokeramischen Multilayer-Bauelementen (Stapeln) wurde bereits Ende der 60er-Jahre des letzten Jahrhunderts entwickelt. Der Schwerpunkt der Anwendungen lag dabei auf der ultragenauen Positionierung optischer Elemente in der kohärenten Optik, insbesondere der sich rapide entwickelnden Lasertechnik. Insofern kann die Optik als „Mutter der Piezoaktorik“ bezeichnet werden. Die Basis hierfür stellten Hochvolt-Stapelelemente dar, die in Klebetechnik aus piezokeramischem Halbzeug (Scheiben, Platten) aufgebaut waren (Betriebsspannung typisch bis 1000Volt).
Der wesentliche Schritt zu einer größeren Verbreitung der Piezoaktorik wurde mit der Einführung der monolitischen co-firing Multilayer-Piezotechnologie Ende der 70-er Jahre getan. Erst hierdurch konnten Stapelaktoren mit niedrigen Ansteuerspannungen, mit kleinen Abmessungen und in größeren Stückzahlen gefertigt werden.
Es war weiterhin bereits zu diesem sehr frühen Zeitpunkt auch schon klar, dass die Piezoaktorik als Festkörpereffekt insbesondere auch zur Realisierung hoher Kräfte und extremer Beschleunigungen in der Lage ist.Genau hierauf zielten die ersten industriellen Projekte der Niedervoltaktorik, nämlich als Impaktorantriebe für die Nadeln von Nadeldrucker. Diese Anwendung verlief zwar wegen des Aussterbens der Nadeldrucker im Sande, aber die volumenmäßig größte Aktoranwendung zum gegenwärtigen Zeitpunkt, die Diesel-Einspritztechnologie, nützt ebenfalls diese Eigenschaft eines extrem schnellen Schaltelements aus.
Im Ergebnis können heute drei Hauptanwendungen in der Piezoaktorik ausgemacht werden. Dies sind die Anwendungen als:
• ultraschneller mechanischer Schalter von Einspritzventilen in der neuesten Dieseltechnologie
• hochgenaue Positionierung z.B. von Komponenten z.B. in der Halbleiter-Industrie, Glasfasertechnologie
• Elemente zur Schwingungskontrolle (Schwingungserzeugung, aktive Schwingungsdämpfung, Adaptronik)
Der berufliche Werdegang von Dr. Lutz Pickelmann als dem Gründer der Fa. PIEZOMECHANIK lief parallel zu der Entwicklung der Piezoaktorik.
Den ersten Kontakt mit Piezoantrieben hatte L. Pickelmann bereits Anfang der 70er Jahre als Student im Rahmen seiner Diplomarbeit auf dem Gebiet kurzwelliger Fourier-Spektrokopie (sichtbares Spektrum, nahes Infrarot). Die hohen Anforderungen an die Positionierqualität und Stabilität der Optomechanik der interferometrischen Anordnungen erforderte den Einsatz der seinerzeit absolut exotischen Piezoaktorik. Die benötigten Piezostapel wurden im Eigenbau fabriziert. Unter den Anwendungen waren dann so kuriose Dinge wie die Vermessung der spektralen Response von Fliegenaugen, die auf Vorschlag von L. Pickelmann fourier-spektroskopisch durchgeführt wurden. Experimentell umgesetzt wurde diese Idee von R. Gemperlein/Institut f.Biologie, LMU und H. Parsche/Physikdepartment E14/TU München.
Die zunehmende Erschließung der Piezoaktorik für hochdynamische Anwendungen spiegelt sich auch im Produktprogramm der Fa. PIEZOMECHANIK wieder, die sich heute u. a. mit sehr speziellen Höchstdynamiksystemen beschäftigt bis hin zu leistungsstarken axialen Stoßgeneratoren (z.B. als Meißelantrieb in Zusammenarbeit mit Dr. Hp. Schad / HILTI / Liechtenstein). Die mechanischen Stoßenergien aus relativ großvolumigen Stapelaktoren liegen bei einigen Joule, die innerhalb weniger 10 Mikrosekunden umgesetzt werden. Bei dieser Art der Stoßanregung werden Beschleunigungen > 100.000 m/sec² realisiert.
Leistungsaktorik wird auch im Rahmen adaptronischer Projekte betrieben bis hin zur aktiven Schwingungskontrolle von großer und schweren Strukturen z.B. von Fahrzeugkarosserien. Unabhängig davon engagiert sich PIEZOMECHANIK nach wie vor auch bei eher exotischen Anwendungen wie z.B. der Fertigung von Aktoren für den Tieftemperaturbereich < 4° Kelvin, z.B. zur dynamischen Abstimmung von supraleitenden Resonatoren in Beschleunigeranlagen für Spallationsneutronenquellen.