Juli 2014

Piezo-Aktuatoren für Kraftstoff-Einspritzsysteme

Neue Bestmarke bei Zuverlässigkeit und Kosten

Piezo-Aktuatoren sind heute das Herzstück moderner, energieeffizienter Kraftstoff-Einspritzsysteme und haben einen Standard gesetzt. Jetzt hat TDK seine dritte Generation von EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren vorgestellt, die optimierte technische Parameter mit hoher Kosteneffizienz kombinieren.

Die Serienproduktion von EPCOS Piezo-Aktuatoren für Kraftstoff-Einspritzsysteme hatte im Jahr 2000 begonnen. Seitdem wurden weit mehr als 100 Millionen Piezo-Aktuatoren ausgeliefert. Um ihre Herstellkosten zu senken und ihre Robustheit zu steigern, treibt das Unternehmen seine intensive Forschungsarbeit erfolgreich voran:

Während bei Bauelementen der ersten Seriengeneration die Innenelektroden noch aus einer Silber-Palladium-Legierung bestanden, konnten bereits 2003 die ersten EPCOS Aktuatoren mit Innenelektroden aus Kupfer in Serie gefertigt werden; ein Meilenstein, da vor allem der Einsatz des Rohmaterials Palladium vergleichsweise hohe Kosten verursacht. Heute ist TDK nach wie vor das einzige Unternehmen, das kostengünstiges Kupfer als Elektrodenmaterial für Aktuatoren verwendet. Wettbewerber hingegen erhöhen den Silberanteil ihres Elektrodenmaterials, um Einsparungen zu erzielen. Diese Lösung kann allerdings zu Silbermigration und damit zum Ausfall der Aktuatoren führen – besonders dann, wenn erhöhte Feuchtigkeit im Spiel ist.

Der Nachteil der ersten Kupfer-Piezo-Aktuatoren-Generation lag in der etwas geringeren piezoelektrischen Kopplung von nur 63 Prozent im Vergleich zu 71 Prozent bei Silber-Palladium-Aktuatoren. Die piezoelektrische Kopplung ist ein Maß für die Fähigkeit des Materials, elektrische in mechanische Leistung umzuwandeln. Bei der 2009 eingeführten zweiten Generation der EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren konnte dieser Leistungswert auf 72 Prozent gesteigert werden. Bei der nun entwickelten dritten Generation von Kupfer-Piezo-Aktuatoren wurde dieser Wert noch weiter verbessert (Abbildung 1).

Abbildung 1: EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren

TDK entspricht immer anspruchsvolleren technolgischen Anforderungen

Die Entwicklung von Piezo-Aktuatoren war und ist seitdem im Wesentlichen durch folgende Anforderungen bestimmt:

  • verbesserte Performance bei Ausdehnung und Kraft, bei gleichzeitig
  • verringertem Volumen
  • verbesserte Robustheit und Zuverlässigkeit für eine erhöhte Anzahl an Zyklen bzw. Aktor-Auslenkungen.
  • steigende Betriebstemperaturen

Mit seiner dritten Generation von EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren entspricht TDK diesen Anforderungen. Die Grundlage dazu bietet ein neu entwickeltes Keramikmaterial, das einen Kopplungsfaktor von >75 Prozent aufweist und über ein deutlich erhöhtes aktives Volumen verfügt. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Parameter der einzelnen Piezo-Keramik-Generationen in einem klassischen Aktuator-Design mit herkömmlichen Isolationszonen und vordefinierten Bruchschichten.

Tabelle 1: Vergleich der Piezo-Aktuator-Generationen und -Technologien

TDKWettbewerber
DesignsAgPdCu1Cu2Cu3 (HAS)Various
MaterialSoft-PZT
InnenelektrodenAg75/Pd25CuCu + 1% PdCuAg95/Pd5 -
Ag70/Pd30
Piezo-elektrischer Koeffizient
[pm/V]
800680760915770 - 910
Piezo-elektrische Permittivität39103920305038003060 - 4040
E-Modul [GPa]2731292822 - 24
Piezo-elektrische Kopplung
[%]
7163727663 - 76
Die Keramik für Kupfer-Piezo-Aktuatoren der dritten Generation kombiniert optimierte technische Parameter mit Kosteneffizienz.

Der Schlüssel für die Fertigung von Piezo-Aktuatoren mit Kupferelektroden liegt in der Beherrschung des Sinter-Prozesses. Dabei muss über das gesamte Temperaturprofil der Partialdruck des Sauerstoffs in einem sehr engen Toleranzfeld gehalten werden. Nur so ist es möglich, dass keine Reduktion des Bleioxids der Keramik erfolgt und gleichzeitig eine Oxidation des Kupfers verhindert wird. Dieses seit Jahren bewährte Verfahren kommt auch bei der dritten Generation von EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren zum Einsatz.

Hohes aktives Volumen dank selektivem Ätzen

Bei dem High-Active-Stack-Design (HAS) der dritten Generation von Kupfer-Piezo-Aktuatoren werden die Isolationszonen minimiert und wird auf vordefinierte Bruchschichten verzichtet, wie sie bei den meisten konventionellen Designs verwendet werden. Dadurch erhöht sich der d33-Wert der Vielschichtaktoren von 840 pm/V auf 915 pm/V – die HAS-Technologie ermöglicht also eine höchstmögliche Volumeneffizienz.

Bei den neusten Aktuatoren wird für die Herstellung der Isolationzone das selektive Ätzen der Innenelektroden angewendet, womit sich die Dicke der Isolationszone auf rund 100 µm beschränken lässt (Abbildung 2). Bei konventionell gefertigten Aktuatoren hat dieser Bereich eine Dicke von mindestens 400 µm. Durch diese drastische Reduzierung und die Einsparung von vordefinierten Bruchschichten ergibt sich ein deutlich höheres aktives Volumen und die Performance steigt um 20 Prozent im Vergleich zu konventionellen Designs (Abbildung 3).

Abbildung 2: Schnitt durch einen EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuator der dritten Generation

Durch selektives Ätzen der Isolationsschichten wird ein höheres aktives Volumen erzielt.

Abbildung 3: Deutlich verbesserte Performance

Performance-Vergleich von EPCOS High Active Stack Piezo-Aktuatoren der dritten Generation mit einem konventionellen Piezo-Aktuator gleicher Baugröße. Dank des höheren aktiven Volumens lässt sich Kraft wie Auslenkung deutlich steigern.

Durch das selektive Ätzen werden auch Polarisationsrisse vermieden, wie sie bei konventionellen Aktuatoren mit zusätzlichen Isolationsschichten und vordefinierten Bruchlagen auftreten. Dies führt zu einer drastischen Erhöhung der Zuverlässigkeit.

Überlegene Stabilität und Zuverlässigkeit

Zur Kontaktierung der äußeren Elektroden hat TDK eine neue bleifreie metallische Anbindung entwickelt, die auch unter hohen Temperaturen nicht zur Versprödung und damit zum Verlust der Kontaktierung neigt. Diese neue Verbindung erweist sich sogar als zuverlässiger als bleihaltiges Material zur Elektrodenkontaktierung. So überstanden die neuen Piezo-Aktuatoren einen 2000-Stunden-Test bei 200 °C ohne jegliche Versprödung. Konventionelle Lötverbindungen versagten dagegen schon nach 1500 Stunden bei Temperaturen von nur 180 °C.

Mit das wichtigste Kriterium für den Einsatz neuer Piezo-Aktuatoren ist die Lebensdauer beziehungsweise die maximal erreichbare Zyklenzahl auch unter rauen Einsatzbedingungen wie hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchte. Hier bestechen die EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren der dritten Generation durch hervorragende Stabilität und Zuverlässigkeit (Abbildung 4).

Abbildung 4: Zuverlässigkeitstest von EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren der dritten Generation

Deutlich zu erkennen: EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren der dritten Generation erreichen bei 170 °C eine Milliarde Schaltzyklen ohne Ausfälle. Silber-Palladium-Aktuatoren dagegen zeigen unter diesen Bedingungen bereits deutliche Ausfallraten.

Durch ihre wesentlich gesteigerte Performance tragen die neuen EPCOS Kupfer-Piezo-Aktuatoren der dritten Generation maßgeblich dazu bei, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Einspritzsystemen für Diesel- und Benzinmotoren zu erhöhen.

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