Fraunhofer Forscher fertigen individuelles Gehäuse für Piezo-Aktoren mit selektivem Laserschmelzen

Bislang eignen sich für deren Herstellung großmaßstäbliche Fertigungstechnologien wie Spritzgießen aus wirtschaftlicher Sicht nicht.

Die Idee, additive Fertigungstechnologien für die Produktion einzusetzen, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Zusammenarbeit mit dem Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt erfolgreich in die Tat umgesetzt.

Ihnen ist es gelungen, einen Piezo-Aktor mit Hilfe des selektiven Laserschmelzens (SLM) mit einem auf die Anwendung angepassten, individuellen Gehäuse zu versehen. Das Gehäuse kann in seinen mechanischen Eigenschaften sehr variabel gestaltet werden.

Ein dichtes Gehäuse verbessert die Zuverlässigkeit von Piezo-Aktoren, denn ohne Gehäuse oder anderen Schutz verringern Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Schmutz und Hitze die Lebensdauer. Bislang waren bei der Herstellung von Aktor-Gehäusen wegen der nötigen Vorspannung viele einzelne Teile erforderlich, was die Kosten in die Höhe trieb. Ziel der Darmstädter Forscher war es daher, das Aktor-Gehäuse als ein Bauteil zu fertigen. Sie nutzten dazu die Vorzüge des SLM, sehr frei in der Formgebung zu sein.

SLM ist eine kommerziell verfügbare und gut etablierte Fertigungstechnologie, die aus verschiedenen Metallpulvern feste Teile fertigt. Dabei wird das Metallpulver durch einen Laserstrahl auf seine Schmelztemperatur erhitzt. Durch die schichtweise Zugabe von Material lassen sich feste Teile direkt aus CAD-Daten erstellen, ohne dafür teilespezifische Werkzeuge anfertigen zu müssen.

Mit diesem Verfahren lässt sich ein Großteil des Aufwandes für Werkzeuge einsparen und die Herstellungskosten von komplexen Teilen in eher kleinen Stückzahlen spürbar senken. Als Aktor wählten die Forscher einen im Handel erhältlichen piezokeramischen Stapelaktor mit einer maximalen Blockierkraft von 2 kN und eine maximale Dehnung von 45 μm. Die Größe des Aktors beträgt 7 x 7 x 32 mm.

Direkte Herstellung des Gehäuses
Vor der größten Herausforderung standen die Darmstädter Forscher, als es darum ging, den Piezoaktor während der Herstellung des SLM-Gehäuses in dieses zu integrieren. Nur auf diese Weise konnte es gelingen, eine hermetische Ab-dichtung zu realisieren. Zu diesem Zweck unterbrachen die Wissenschaftler den Prozess des selektiven Laserschmelzens an einer bestimmten Höhe. In diesem Stadium integrierten sie den Aktor und setzten anschließend den SLM-Prozess fort. Mit dieser Vorgehensweise konnte der Aktor erstmalig vollständig mit einem, mit bestimmten physikalischen Eigenschaften ausgestatteten, Metallgehäuse umschlossen werden.

Während des Prozesses treten im Pulverbett Temperaturen von durchschnittlich 180°C auf. Der hieraus resultierende thermische Schrumpf des Gehäuses führt zu einer mechanischen Vorspannung des Aktors im Inneren, die sich vorteilhaft auf die Antriebsleistung und die Zuverlässigkeit auswirkt.