Fragen & Antworten (FAQ)
In unserem FAQ-Bereich finden Sie schnelle Antworten auf die häufigsten Fragen und andere hilfreiche Informationen.
Macro Fiber Composite™
Welche Klebstoffe empfehlen Sie für die Verklebung von MFCs mit einer Konstruktion?
Wir empfehlen Zweikomponentenklebstoffe wie 3M DP 460 Epoxy oder Loctite E120 HP Epoxy. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Klebstoff 2 Stunden lang bei 50–60 °C aushärtet und die MFC während der Aushärtung mit einer Vorrichtung gegen die Konstruktion gedrückt wird.
Wie lässt sich ein MFC am besten an eine Host-Struktur binden?
Bitte sehen Sie sich unser Video-Tutorial „How to Bond and Cure the MFC“ auf unserem YouTube-Kanal an. Das Tutorial führt Sie durch die einzelnen Schritte zur Vorbereitung des MFC für die Verklebung und erläutert drei verschiedene Methoden zur Aushärtung des MFC nach der Befestigung an einem Glasfaserverbundwerkstoff. Die in diesem Video-Tutorial gezeigten Methoden können auch für andere Trägermaterialien angewendet werden.
Wir raten von einfachen Klemmtechniken zum Verkleben des MFC mit einer Trägerstruktur ab. Klemmtechniken können, wenn sie nicht ordnungsgemäß angewendet werden, die äußere Kapton-Hülle des MFC beschädigen, was zu einem vorzeitigen Versagen des MFC führt.
Im Allgemeinen ist das Vakuumverpressen eine sichere Methode, um das MFC mit Strukturen zu verkleben, und kann anhand der folgenden Schritte durchgeführt werden:
1) Klebstoff auf das Trägermaterial auftragen. (Hinweis: Verwenden Sie immer eine neue Mischspitze.)
2) MFC auf den Klebstoff aufbringen.
3) Mit einer Lage perforierter Trennfolie umwickeln.
4) Mit einer Lage Vlies umwickeln (um überschüssigen Klebstoff aufzunehmen).
5) In den Vakuumschlauch legen.
6) Aushärten lassen.
Welche Art von Draht empfehlen Sie zum Löten an den MFC?
Wir empfehlen in der Regel mehrdrähtiges Anschlusskabel der Stärke 24–26 AWG mit einer Isolationsspannung von 3 kV. Zum Beispiel die Artikelnummer 3239-24-1-0500 von CNC Tech, die auch in verschiedenen Farben erhältlich ist.
Ich möchte den MFC als Dehnungssensor verwenden, aber es scheint, als würde ich keine Messwerte erhalten.
Stellen Sie sicher, dass Sie den MFC an einer Struktur befestigt haben, die tatsächlich eine Dehnung im Patch hervorruft, d. h. die Fasern dehnt oder zusammenpresst.
Welche maximale Kraft kann ein MFC erzeugen?
Der MFC M8557P1 dehnt sich über die Länge des Stellantriebs mit einer Geschwindigkeit von 1350 mm/min aus (freie Dehnung). Die Haltekraft beträgt für den aktiven Querschnitt des MFC etwa 4 kN/cm².
Ist MFC porös oder nicht porös?
Das MFC ist aufgrund seiner luftdichten Verpackung porenfrei.
Wie viel Kraft erzeugt ein Standard-MFC bei einer Verschiebung?
Der M8557P1 erzeugt eine Haltekraft von etwa 690 N und eine Verschiebung von ca. 115 µm (freie Dehnung).
Kann der MFC bei Frequenzen über 10 kHz betrieben werden?
Ja. Die angegebene Frequenz von 10 kHz stellt im Allgemeinen die Obergrenze für den Betrieb des MFC als Aktuator unter Verwendung eines hohen elektrischen Feldes dar (d. h. bei Spannungen von mehr als einem Drittel der maximalen Betriebsspannung). Piezo-Keramik kann bei wesentlich höheren Frequenzen von bis zu 10–20 MHz betrieben werden.
Als Sensor wird der MFC derzeit in Anwendungen zur Erfassung von Dehnungen bis zu mehreren MHz eingesetzt. Bei Betrieb mit niedrigem elektrischen Feld wird er auch als Aktuator zur Erzeugung von Ultraschall bis zu 700 kHz verwendet (d. h. SHM-Anwendungen).
Ein wesentliches Kriterium für den Betrieb des MFC als Aktuator bei höheren Frequenzen ist die Wärmeentwicklung im Gerät aufgrund von dielektrischen und parasitären Verlusten. Die Überwachung der Gerätetemperatur ist eine gute Methode, um die obere Frequenz-/Spannungsgrenze in der jeweiligen Anwendung zu bestimmen. Im Allgemeinen sollte die Temperatur während des Betriebs 80 °C nicht überschreiten.
Wie hoch ist die typische Dichte eines MFC?
Die typische Flächendichte beträgt 0,16 g/cm² bzw. die Volumendichte 5,44 g/cm³.
Wie hoch ist der mechanische Wirkungsgrad eines MFC, d. h. der Anteil der in mechanische Energie umgewandelten elektrischen Energie?
Diese Frage erfordert eine eingehendere Analyse:
Im Allgemeinen weist ein in der MFC verwendetes PZT-5A-Material einen effektiven Kopplungskoeffizienten (k33) von etwa 0,69 auf, was bedeutet, dass 69 % der eingespeisten elektrischen Energie in mechanische Energie umgewandelt werden. Die Differenz zu 100 % wird als elektrische Energie gespeichert und kann grundsätzlich durch eine geeignete elektronische Ansteuerung zurückgewonnen werden (sofern Verluste vernachlässigt werden).
Die an eine externe Struktur abgegebene Energie hängt von der mechanischen Abstimmung ab. Sie ist optimal, wenn die Steifigkeit des MFC und die Steifigkeit der externen Struktur gleich sind. Das Verhältnis der extern abgegebenen mechanischen Energie zur umgewandelten mechanischen Energie im MFC definiert den Wirkungsgrad.
Der maximale Wirkungsgrad der Ausgangsarbeit (unter optimalen Lastbedingungen) für den MFC beträgt etwa 0,16, sodass maximal 16 % der zugeführten elektrischen Energie mit einem MFC in nutzbare Ausgangsarbeit umgewandelt werden können.
Wie eng kann man den MFC biegen, ohne dass er reißt? Zum Beispiel das MFC-Standardmodell M8557P1 mit den Maßen 3,4„ x 2,2“.
Bei der 12-mil (0,3 mm) dicken Standard-MFC-Baugruppe beträgt der minimale Krümmungsdurchmesser des Aktuators etwa 4,7 Zoll (120 mm) bei Krümmung in Faserrichtung und 4 Zoll (100 mm) bei Krümmung senkrecht zur Faserrichtung.
Bitte laden Sie die folgende Publikation herunter, um weitere Informationen zum Zugdehnungsverhalten des MFC zu erhalten: Nichtlineares Zug- und Scherverhalten von Makrofaserverbund-Aktuatoren.
1-3 Komposite
Welche Arten von Elektroden sind für 1-3 Piezo Komposite erhältlich?
Für unsere 1-3-Komposite bieten wir Elektroden aus Kupfer-Zinn (CuSn) oder Gold (Au) an. Alle Elektroden werden im Vakuumbeschichtungsverfahren aufgebracht und weisen eine Dicke zwischen 700 nm (Au) und 2,5 µm (CuSn) auf.
Unsere Standardelektrode ist die Kupfer-Zinn-Elektrode, die Kosteneffizienz mit elektrischen Eigenschaften kombiniert, die denen von Gold ähneln. Das Löten von Drähten an CuSn ist im Vergleich zu Gold wesentlich einfacher. Unsere CuSn-Elektrode ist etwa 1,5 µm bis 2,5 µm dick (abhängig von der Resonanzfrequenz) und verfügt über eine 500 nm dicke Zinnbeschichtung als Passivierungsschicht, um eine Korrosion des Kupfers zu verhindern.
Wie schließe ich die Kabel an die Elektroden 1–3 des Komposits an?
Die meisten unserer Kunden löten Drähte unter Verwendung einer Niedrigtemperatur-Lötpaste (Sn42/Bi57,6/Ag0,4) an die 1-3-Verbundteile an.
Das Löten an einem 1-3-Verbund mit einem Lötkolben erfordert Erfahrung, da ein beträchtlicher Teil des Verbunds unter der Elektrode aus Kunststoff besteht. Wenn der Lötkolben zu heiß ist oder zu lange angewendet wird, wird der Kunststoff weich und die Verbindung mit dem gesputterten Elektrodenmaterial versagt, was dazu führt, dass sich die Elektrode löst.
Achten Sie beim Löten bitte darauf, die Kontaktzeit zwischen Verbund und Lötspitze so kurz wie möglich zu halten. Wir verwenden eine Niedertemperatur-Lötpaste für SMD-Lötarbeiten mit Temperaturen um 138 °C und einer Kontaktzeit von weniger als 1–2 Sekunden. Wenn Sie den Draht nicht beim ersten Versuch am Verbund befestigen können, lassen Sie den Verbund bitte etwas abkühlen, da sich die Stelle sonst überhitzt und die Elektrode versagt.
Welches Lötzinn sollte ich verwenden? Wie sieht ein gutes Lötverfahren aus?
Entfernen Sie die Isolierung vom Draht und verzinnen Sie den abisolierten Abschnitt. Tragen Sie einen Tropfen Lötpaste an der Stelle des 1-3-Verbundmaterials auf, an der Sie den Draht befestigen möchten. Verwenden Sie eine Niedrigtemperatur-Lötpaste, die in einer Spritze geliefert wird. Verwenden Sie einen Lötkolben mit einer kleinen Spitze für kurze Zeit. Belasten Sie die Verbindung erst, wenn das Zinn abgekühlt ist.
Materialien:
– Bei Verwendung von Lötpaste: Niedrigtemperatur-Lötpaste Sn42/Bi57,6/Ag0,4, z. B. Edsyn CR11, Chip Quik SMDLTLFPT5
– Bei Verwendung eines Lötkolbens: Lötzinn Stannol HS10 TSC 0,5 mm, Lötkolbenspitze auf 270 °C erhitzen, den Lötkolben nicht länger als 1–2 Sekunden auf dem 1-3-Verbund halten.
– Drähte: Litzen, 0,06…0,14 mm² oder lackierter Kupferdraht.
Kann ich Drähte an 1-3-Komponenten-Verbundwerkstoffe mit Elektroden anbringen?
Ja, das ist möglich – indem Sie einen leitfähigen Klebstoff zum Befestigen der Drähte an den Verbundwerkstoffen verwenden. Leitfähige Klebstoffe bieten eine zuverlässige Möglichkeit, Drähte an unseren 1-3-Verbundwerkstoffen anzubringen, wobei die Haftkraft mit der beim herkömmlichen Löten vergleichbar oder sogar besser ist. Wir empfehlen die folgenden Klebstoffe von Epoxy Technology: Epo-Tek 430, Epo-Tek H20E, Epo-Tek EE 129-4.
Was ist der Unterschied zwischen den Fertigungsmethoden „Dice-and-Fill“ und „Arrange-and-Fill“?
Die „Dice-and-Fill“-Technik gibt es schon seit vielen Jahren und sie ist teurer als das von Smart Material verwendete „Arrange-and-Fill“-Verfahren. Im Wesentlichen beginnt „Dice-and-Fill“ mit einem PZT-Block, in den mit einer Diamantsäge zahlreiche Rillen geschnitten werden, die anschließend mit Polymer gefüllt werden. Der hohe Schnittaufwand ist der Hauptgrund für die höheren Herstellungskosten.
Bei der „Arrange-and-Fill“-Methode werden lange Faserstränge zufällig an den Enden angeordnet und mit Polymer umgossen, wodurch ein großer Block aus Piezo-Verbundwerkstoff entsteht. Dieser Block kann dann entsprechend der gewünschten Frequenz in Stücke unterschiedlicher Länge geschnitten werden. Dies führt zu einem schnelleren und kostengünstigeren Verfahren.
Energy-Harvesting
Was ist ein PEH?
PEH ist die Abkürzung für „Piezo Electric Harvester“. Manchmal wird ein Piezo Electric Harvester auch als PEG (Piezo Electric Generator) bezeichnet.
Was ist ein Cantilever und welche Funktion hat er in einem PEH?
Ein Cantilever ist ein starres Bauteil, das sich horizontal erstreckt und nur an einem Ende abgestützt oder eingespannt ist. Cantilever, die als PEHs verwendet werden, bestehen in der Regel aus Glasfaserverbundwerkstoffen wie FR4, Blech oder Kunststoff. Ein piezoelektrisches Element, wie eine monolithische Piezo-Keramikplatte oder ein MFC, wird normalerweise nahe der abgestützten/festgeklemmten Seite des Cantilevers angebracht. Durch das Biegen des Cantilevers wird das daran befestigte Piezo-Keramikelement beansprucht, entweder durch Zusammendrücken oder Dehnen, wodurch das piezoelektrische Element eine elektrische Ladung erzeugt. Die Menge der erzeugten elektrischen Ladung, gemessen in Coulomb, ist eine Funktion der auf das piezoelektrische Element ausgeübten Dehnung. Die Dehnung ist, vereinfacht ausgedrückt, eine Funktion davon, wie stark der Ausleger gebogen wird, sowie vom Abstand des piezoelektrischen Elements zur mittleren (neutralen) Schicht der Baugruppe.
Was ist eine Piezoelektrische-Harvesting-Schaltung?
Eine Piezoelektrische-Energy Harvesting Schaltung oder PHC (Piezo Harvesting Circuit) ist ein elektronisches Gerät, das die von einem PEH/PEG erzeugte elektrische Energie als Eingangssignal aufnimmt und einen stabilisierten Gleichstromausgang erzeugt. Eine Piezoelektrische-Harvesting-Schaltung wird oft auch als Conditioner, PMC (Power Management Controller) oder elektronisches Piezo-Harvesting-Modul bezeichnet.
Ein PEH wandelt mechanische oder kinetische Energie in elektrische Energie in Form einer elektrischen Ladung um oder, wenn sein Ausgang an eine elektrische Impedanz angeschlossen ist, in Form von elektrischem Strom. Ein PEH ist in erster Näherung ein Kondensator und eine Wechselstromquelle. Ein PEHC gewinnt die vom PEH erzeugte Energie zurück.
Die Grundfunktionen des PEHC sind:
– Gleichrichtung des vom PEH kommenden Wechselstroms.
– Speichern der gewonnenen elektrischen Energie in einem Kondensator, dessen Kapazität in der Regel größer ist als die des PEH.
– Erzeugen einer stabilisierten Gleichspannung als Ausgangssignal aus der gewonnenen elektrischen Energie.
– Verfügbare Gleichspannungsausgänge sind in der Regel 1,8 V, 3,3 V oder 5 V DC.
Was ist ein unimorpher, bimorpher oder trimorpher PEH?
Ein Unimorph oder Monomorph ist ein Ausleger, der aus einer aktiven Schicht und einer inaktiven Schicht besteht.
Ein Bimorph ist ein Ausleger, der aus zwei aktiven Schichten besteht.
Ein Trimorph ist ein Ausleger, der aus einer aktiven Schicht, einer inaktiven Schicht und einer zweiten aktiven Schicht auf der der inaktiven Schicht der ersten aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite besteht.
Bei einem PEH besteht die aktive Schicht bzw. bestehen die aktiven Schichten aus einem piezoelektrischen Material.
Sind elektrische Energie und elektrische Leistung dasselbe?
Die Begriffe „elektrische Energie“ und „elektrische Leistung“ werden oft so verwendet, als seien sie austauschbar. Das sind sie jedoch nicht! Energie und Leistung stehen in engem Zusammenhang, sind aber nicht dasselbe. Dies ist eine wichtige Tatsache, die man bei der Entwicklung von Energy-Harvesting-Anwendungen verstehen muss.
Energie ist definiert als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Arbeit kann in Form von kinetischer Energie, potenzieller Energie und thermischer Energie auftreten. Man kann auch sagen: Wenn man an einem Objekt Arbeit verrichtet, gibt man dem Objekt Energie. Darüber hinaus kann man einem Objekt Energie zuführen, indem man Wärme überträgt. Dies ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik: Die Gesamtenergie eines Systems kann erhöht werden, indem man Arbeit an ihm verrichtet oder Wärme zuführt. Energie wird in Joule, J (SI-Einheit), gemessen. Ein Joule entspricht 1 Nm (ein Newton mal ein Meter) und 1 Ws (ein Watt mal eine Sekunde).
Leistung ist die Rate, mit der Arbeit verrichtet wird, oder die Rate, mit der Energie verbraucht, erzeugt oder übertragen wird. Die Einheit der Leistung ist die Energieeinheit geteilt durch die Zeiteinheit. Im SI-System ist dies Joule geteilt durch Sekunden, was als Watt (W) bezeichnet wird. Viele Menschen kennen die Energiemenge in kWh (Kilowattstunde).
Es ist wichtig zu verstehen, dass es sich um dieselbe Energiemenge handelt, egal ob man 1 kW für eine Stunde oder 1 W für tausend Stunden nutzt. Oder es ist dieselbe Menge an potenzieller Energie, wie wenn ein Kran einen 1-Tonnen-Steinblock in 1 Minute oder in 1 Stunde 20 m hochhebt. Die für den Motor des Krans erforderliche Leistung ist jedoch höher, wenn man den Block in 1 Minute statt in 1 Stunde anhebt, da das Zeitintervall unterschiedlich ist.
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