Gehäuse- & Kühltechnik Maßgeschneiderte Behausung

Durch ein dichtes Gehäuse kann die Zuverlässigkeit von Piezo-Aktoren verbessert werden, denn ohne Gehäuse oder anderen Schutz verringern Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Schmutz oder Hitze die Lebensdauer der Bauteile. Bislang waren bei der Herstellung von Aktor-Gehäusen wegen der nötigen Vorspannung viele einzelne Teile erforderlich, was die Kosten in die Höhe trieb. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlsässigkeit LBF haben daher in Zusammenarbeit mit dem Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt den Versuch unternommen, einen Piezo-Aktor mit Hilfe des selektiven Laserschmelzens mit einem auf die Anwendung angepassten, individuellen Gehäuse zu versehen, das sowohl sicher als auch kostengünstig ist.

Ziel der Forscher war es, 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 zur Gruppe der Strahlschmelzverfahren gehört. Der zu verarbeitende Werkstoff wird in einer dünnen Pulverschicht auf eine Grundplatte aufgebracht und mittels Laserstrahlung vollständig umgeschmolzen. Er bildet nach dem Erstarren eine feste Materialschicht. Dieses Verfahren wird so lange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Durch die schichtweise Zugabe lassen sich feste Teile direkt aus CAD-Daten erstellen, ohne dafür teilespezifische Werkzeuge anfertigen zu müssen. Mittels SLM gefertigte Bauteile zeichnen sich durch große Bauteildichten (>99 Prozent) aus. Dies gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils weitgehend denen des Grundwerkstoffs entsprechen. Verwendet werden können Werkstoffe ohne Bindemittel, beispielsweise Edelstahl, Aluminium, Titan, Kobalt-Chrom, Kupferlegierungen, Keramik oder verschiedene Kunststoffe. Mit SLM lässt sich ein Großteil des Aufwandes für Werkzeuge einsparen und die Herstellungskosten von komplexen Teilen in eher kleinen Stückzahlen spürbar senken.

Als Aktor nutzten die Forscher einen handelsüblichen piezokeramischen Stapelaktor mit einer maximalen Blockierkraft von 2 KN und einer maximalen Dehnung von 45 mym. Die Größe des Aktors beträgt 7 mm x 7 mm x 32 mm. Die größte Herausforderung bestand darin, den Piezoaktor während der Herstellung des SLM-Gehäuses in dieses zu integrieren. Nur auf diese Weise war es möglich, eine hermetische Abriegelung 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 erstmals vollständig mit einem mit bestimmten physikalischen Eigenschaften ausgestatteten Metallgehäuse umschlossen werden. Während des Prozesses treten im Pulverbett Temperaturen von durchschnittlich 180 °C auf. Die hieraus resultierende Schrumpfung des Gehäuses führt zu einer mechanischen Verspannung des Aktors im Inneren, die sich vorteilhaft auf die Antriebsleistung und die Zuverlässigkeit auswirkt.