Zwei Arten stoßerzeugender Piezo-Aktuatoren

15. Piezo-Stoßgeneratoren

Wird ein Piezo schnell aufgeladen, springt die axiale Druckspannung in der Keramik sofort auf einen hohen Wert. Der so erzeugte Blockierdruck wird aufgebaut und führt zu einer hohen Beschleunigung mit hohen Dehnraten. In der Folge expandiert der Piezo-Stab mit starker Beschleunigung. Auf diese Weise kann der Piezo eine propagierende Stoßfront in einem angekoppelten Körper aufbauen. Der Piezo stellt damit also einen “aktiven Stab“ dar, der mittels elektrischer Leistungspulse mechanische Stöße erzeugt.

Da der Piezostab zu Beginn der elektrischen Anregung sich in Ruhe befindet, laufen aus Gründen
der Impulserhaltung zwei entgegen gesetzte Stöße mit Schallgeschwindigkeit in axialer Richtung zu den Stapelenden. Der Stoß ist superelastisch, da die kinetische Energie im Gesamtsystem nach dem Stoß größer ist als vor dem Stoß. Das Ergebnis kann mit einem Sprengkörper verglichen werden.

Diese Systeme können eine Beschleunigung von bis zu 180.000 m/s2 erzeugen, sind hochgradig wiederholbar und sind über ein anpassbares Eingangssignal steuerbar. Sie können auch mit bis zu 100 Hz betrieben werden, wodurch sich wiederholende Schockanwendungen, wie z. B. Lebenszyklus-Schocktests, sehr schnell durchführen lassen. Es gibt zwei verschiedene Designs für die Aktoren, die einzelne und symmetrische Schockwellen erzeugen.

Symmetrische Stoßgeneratoren:

Die vom Piezostapel erzeugte Stoßwelle breitet sich beidseitig symmetrisch auf die Stösselelemente (aus Stahl, Titan, ähnliches) aus. Mit Hilfe von Dehnmessstreifen und Laser-Doppler-Anemometer wird die Stoßausbreitung in den angekoppelten Stäben erfasst. Die Querschnittsänderung Keramikstapel/Stössel optimiert den akusto-elastischen Stoßübergang
zwischen den unterschiedlichen Materialien.

Einseitig wirkender Stoßgenerator:

Der oben erwähnte symmetrische Generatoraufbau kann zu einem einzelnen Stoßelement mit nahezu doppelter Energie- und Impulsleistung modifiziert werden. Bei Abstützung des Piezostapels an einer großen (seismischen) Masse erfolgt eine weitgehende Reflexion des rückwärts laufenden Stoßes: in Vorwärtsrichtung erfolgt also ein Doppelstoß. Die Verzögerung des reflektierten Pulses gegenüber dem vorwärts gerichteten Impuls entspricht der Schalllaufzeit durch den Stoßgenerator. Die Gesamtstoßdauer nimmt entsprechend zu. Hierdurch kann die Stoßenergie im Idealfall nahezu verdoppelt werden. Die seismische Masse nimmt dabei den Impuls des Piezostoßes auf (Rückstoß wie bei einer Schusswaffe).