Simulation & Messung
Modellierung und Simulation piezoelektrischer Systeme
Wir verwenden die Finite Elemente Methode (FEM) für den frequenzgenauen Entwurf von Ultraschall-Resonatoren. In der Modellierung bilden wir sehr genau ab:
- das „aktive“ piezoelektrische Materialverhalten (Dielektrizität, Piezoelektrizität, Masse und Nachgiebigkeit)
- die Richtungsabhängigkeit der Materialeigenschaften (Anisotropie)
- den Wechsel der Polarisationsrichtung in Stapelaktoren
- materialspezifische Dämpfungseigenschaften
- die Resonanzcharakteristik der Wandler
- Piezoelektrische Aktoren und Sensoren
Lasermessung von Ultraschallschwingungen
Mit unserer Lasermesstechnik können wir dynamische Prozesse hochgenau und berührungslos analysieren, ohne das empfindliche Verhalten der Sensoren, Aktoren und Ultraschallwandler zu beeinflussen. Der Einsatz dieser Spezialmesstechnik ermöglicht uns beispielsweise:
- die hochgenaue Visualisierung von Schwingungsverteilungen im µm-Amplitudenbereich
- die Fehleranalyse in Produkten unserer Kunden (bspw. Nebenresonanzen)
- die Analyse von toleranzbedingten Frequenz- und Amplitudenstreuungen in der Fertigung
- die messtechnische Validierung von Ergebnissen elektromechanischer Simulationen (FEM)
- die Optimierung sensitiver Strukturschwinger
Thermosimulation und Temperaturmessung
Die Temperatur piezoelektrischer Ultraschallwandler beeinflusst deren charakteristische Eigenschaften. Entstehen durch Umgebungseinflüsse oder Eigenerwärmung zu hohe Temperaturen, so kann dies zu einer übermäßigen Alterung des Systems und damit einem frühzeitigen Ausfall führen. Zudem können temperaturbedingte Frequenzverschiebungen Probleme bei der elektrischen Ansteuerung nach sich ziehen. Wir betrachten den Temperatureinfluss daher sowohl im Modell als auch experimentell, um geeignete Betriebsparameter und Grenzen zu definieren.
- Modellierung der Eigenerwärmung von Ultraschallkonvertern in der Auslegungsphase
- Experimentelle Analyse der betriebspunktabhängigen Erwärmung von Ultraschallkonvertern durch präzise Temperaturmessungen im Betrieb
- Definition von Abhilfemaßnahmen, um übermäßige Wärmeentwicklung zu vermeiden
Hier zeigen wir ein Beispiel zur elektromechanischen Thermosimulation.
Thermomechanische Simulation piezoelektrischer Konverter
Mit unseren umfassenden Simulationsmöglichkeiten lässt sich zunächst das elektromechanische Verhalten berechnen. Als Ergebnisse erhält man beispielsweise:
- Die Lage der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz sowie zugehörige Impedanzwerte
- Charakteristische elektrische Kennwerte für die elektrische Ansteuerung
- Die Amplitudenverteilung der Auslenkung für eine gegebene elektrische Anregung
- Die Verteilung mechanischer Spannungen zur Optimierung kritisch beanspruchter Komponenten
- Einflüsse von Fertigungsungenauigkeiten auf die Frequenzlage oder den Leistungsbedarf
Thermische Simulation bei der Sollamplitude in Resonanz
Auf Basis der elektromechanischen Ergebnisse lässt sich thermisch simulieren:
- Die Temperaturverteilung im piezoelektrischen Konverter für die zuvor untersuchte Sollamplitude in Resonanz
- Der Leistungsbedarf integral und für einzelne Teilkomponenten (z.B. den Piezoaktor)
- Die Verteilung von Wärmequellen aufgrund innerer Dämpfung
- Amplitudenabhängigkeiten des Leistungsbedarfs und der Temperatur
Messungen zur Validierung
Mittels Laservibrometrie und berührungsloser thermischer Sensoren beurteilen wir:
- Die Genauigkeit unserer Simulationsergebnisse
- Amplitudenabhängigkeiten elektromechanischer und thermischer Werkstoffkennwerte
- Zahlenwerte der elektromechanischen Parameter und Amplitudenabhängigkeiten
- Die Dauerbelastbarkeit der Systeme (Dauertests für Wöhlerdiagramme)
Weitergehende Analysen
Durch Kombinationen unterschiedlicher Multiphysics-Simulationen und Messungen lassen sich bereits in der Auslegungsphase viele komplexe Fragestellungen sehr effektiv untersuchen:
- Die Abhängigkeit der statischen Vorspannungsverteilung im Piezoaktor von der Temperatur
- Die temperaturabhängige Frequenzdrift (aufgrund thermischer Ausdehnung und Materialerweichung)
- Die Dauerbelastbarkeit von Metallen, Polymeren und Klebstoffen
- Das thermomechanische Verhalten bleifreier Piezokeramiken im Vergleich zu PZT-Keramik
- Nichtlinearitäten von Piezokeramik und Metallen (Dämpfungs- und Nachgiebigkeitsverhalten)
Applikationsversuche und Aufbau von Prüfständen
Nach der Simulation von Ultraschallsystemen ist die umfassende und fundierte experimentelle Analyse der Systeme von entscheidender Bedeutung im Entwicklungsprozess, um Modellergebnisse zu validieren und um Einflüsse, die im Modell nur schwer abzubilden sind, untersuchen zu können. Zur Erprobung neuer Ultraschallprozesse oder zum Testen von Ultraschallkonvertern, -sonotroden und Werkzeugen können wir auf eine umfangreiche messtechnische Ausstattung sowie langjährige Erfahrung und Kreativität beim Aufbau von Messumgebungen zurückgreifen. In diesem Kontext können wir unter anderem folgende Leistungen anbieten:
- kurzfristige Durchführung von Applikationsversuchen für verschiedene Ultraschallprozesse mit vorhandenen Ultraschallsystemen (verschiedene Frequenzen und Leistungsklassen)
- Umfangreiche Charakterisierung von Prozessen durch vielfältige Messmethoden (Lasermessung, präzise Temperaturmessung, simultane Messung von elektrischen und mechanischen Größen, Prozessbegleitende Messungen)
- Entwicklung und Aufbau geeigneter Prüfstände zum Test von Ultraschallsystemen (bspw. definierte Belastungen, Applikationen in Wasser, …)
Materialermüdungstests (Ultraschall-Wöhlerkurven)
Zur Aufzeichnung von Wöhlerkurven sind Messungen mit Lastspielzahlen im dreistelligen Millionenbereich notwendig. Durch die Verwendung von Ultraschallfrequenzen kann man so hohe Zykluszahlen innerhalb einer Stunde erreichen, wozu sonst wochenlange Versuche nötig sind. Mit vorhandenen Ultraschallaktoren, unserem Know-How zur Dimensionierung geeigneter Ultraschallproben und mit unserem ATHENA Ultraschallgenerator verfügen wir über die perfekte Versuchsumgebung, um Ihre Werkstoffe auf Dauerfestigkeit zu prüfen.
Schallsimulation, Ultraschallakustik und Kavitationsmessung
Zwischen dem Ultraschallwandler und dem durch ihn erzeugten Schallfeld besteht stets eine Wechselwirkung. Insbesondere bei Prozessen in Flüssigkeiten beeinflusst das angrenzende Fluid die Charakteristik des Ultraschallwandlers. In anderen Applikationen ist die Ausprägung des erzeugten Schallfeldes maßgeblich für die Anwendung (Abstandssensoren) und soll durch konstruktive Maßnahmen beeinflusst werden.
Wir nutzen die Finite Elemente Methode (FEM) zur Berechnung von Schallfeldern im Ultraschallbereich und deren Wechselwirkung mit dem Schallerzeuger. Zudem verfügen wir über Messmethoden zur experimentellen Analyse der Ultraschallakustik, auch bei kavitationsbasierten Prozessen.
- FEM-Simulation von Schallfeldern und deren Wechselwirkung mit dem Ultraschallwandler (Fluid-Struktur-Interaktion)
- Schallmessungen in Luft und Flüssigkeiten im Ultraschallbereich (Ultraschallmikrofon und Hydrophon)
- Experimentelle Analyse der Kavitationsaktivität (akustische Messungen, Folientests, Sonolumineszenz, Kavitationsrauschen)
- Analyse von Dämpfungseffekten (z.B. durch nichtreflektierende Ränder, durch Viskosität des Fluids oder durch Kavitation)
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