HAUSBESUCH

Seit über 25 Jahren entwickelt und fertigt PI Ceramic hochwertige piezokeramische Werkstoffe und zeigt, wie vielfältig aktorische und sensorische Piezokomponenten eingesetzt werden können.

Das Unternehmen wächst. Mit einem Neubau über 7500 m2 konnte 2020 mehr als ein Drittel zusätzliche Fläche für den Thüringer Standort geschaffen werden. Diese Vergrößerung wurde aufgrund des beachtlichen Firmenwachstums der letzten Jahre durch den weltweiten Vertrieb qualitativ hochwertiger Piezokomponenten, Multilayer- und Stapelaktoren, aber auch höherveredelter Baugruppen ermöglicht.
Gegründet als Tochterunternehmen von Physik Instrumente (PI) in der Gemeinde Lederhose (Thüringen), zählt PI Ceramic heute zu den weltweit führenden Firmen für die Piezotechnologie. Von der Materialentwicklung über die Herstellung von Piezoelementen bis hin zur Assemblierung von Subsystemen finden sich hier alle Prozessschritte unter einem Dach. Seit Jahren besteht dabei eine enge Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IKTS. Die intensive Netzwerkarbeit ermöglicht einen stetigen Austausch, sowie direkten Zugang zu wissenschaftlichen Erkenntnissen und Know-how.
Piezoelemente kommen in sehr unterschiedlichen Anwendungen, wie beispielsweise der Medizintechnik zum Einsatz. Dort können sie zur präzisen Handhabung von kleinsten Flüssigkeitsmengen in Analysegeräten der In-vitro-Diagnostik, in Hörhilfen oder in smarten Sensoren bei der Patientenüberwachung genutzt werden. Auch im industriellen Umfeld erfüllen piezobetriebene Sensoren wichtige Aufgaben z. B. Messungen in Wasser- und Wärmemengenzählern oder die Überwachung von Pipelines. Darüber hinaus sind Piezoelemente in der Drucktechnik unerlässlich, beim großflächigen Bedrucken von Papier oder dem 3-D-Druck.
Im Bereich der Nanoliterdosierung bieten Piezokomponenten viele Vorteile. Die eingesetzten Ventilantriebe müssen bei Betriebsfrequenzen bis zu einigen Kilohertz in der Lage sein, die erforderliche kinetische Energie aufzubringen, um kleinste Tröpfchen zu erzeugen. Anwendung finden sie so zum Beispiel bei der Inkjet-Technologie von Druckern, bei Microarrays und Lab-on-a-Chip-Systemen, beim Drug-Screening und in der Wirkstoff-Forschung.
Annemarie Oesterle, Marketingmanagerin im Bereich Medizintechnik, führt durch den Gebäudekomplex und erläutert den Herstellungsprozess der smart materials vom Keramikpulver über das Sprühgranulat bis hin zur gesinterten Keramik. Diese wird mechanisch weiterverarbeitet, durch Siebdruckverfahren metallisiert, schließlich polarisiert und mit Elektroden versehen.

 

 

Innovative Multilayer Technologie

Mit der Multilayer-Cofiring-Technologie hat PI Ceramic ein innovatives Verfahren zur Herstellung von Piezokeramiken entwickelt. Im ersten Schritt werden Folien aus Piezokeramikmaterial gegossen und noch im Grünzustand (ungebrannt) mit Elektroden versehen. Mehrere Einzelfolien werden geschichtet und zu einem Piezoelement laminiert. In einem einzigen Prozessschritt werden sie anschließend gemeinsam mit den jeweiligen Kontaktelektroden unter erhöhtem Druck erhitzt (gesintert). „Einzigartig bei den PICMA® Multilayer-Piezoaktoren ist die vollkeramische Isolationsschicht um die Piezokeramik“, erklärt Oesterle. Mithilfe dieser Technologie bleiben die Piezoaktoren auch unter extremen Umgebungsbedingungen stabil, erreichen eine deutlich längere Lebensdauer und sind konventionellen polymerisolierten Aktoren somit weit überlegen.
Aufgrund ihrer Eigenschaften werden PICMA Aktoren in Anwendungen genutzt, in denen besonders dynamische Bewegungen nötig sind. Sie finden daher häufig Einsatz in der industriellen Präzisionsdosierung, wo sie für eine schnelle Tropfenerzeugung von teils hochviskosen Flüssigkeiten wie Klebstoffen oder Lötpasten verantwortlich sind. Die smarten Piezokomponenten müssen schnell, zuverlässig und energiesparend arbeiten. Auch in medizintechnischen Geräten werden PICMA Aktoren zur präzisen Handhabung von kleinsten Flüssigkeitsvolumina genutzt.
Zudem beteiligt sich PI Ceramic auch an Forschungsprojekten, um so den Beitrag der Piezotechnologie in vielfältigen Innovationen zu erweitern. Durch den Einsatz von PICA Stapelaktoren konnten in der Vergangenheit bereits mehrere smart3-Projekte realisiert werden.
Mit »PISTOL3« wurde die Lasermaterialbearbeitung im wahrsten Sinne des Wortes auf eine neue Ebene gebracht. Eine wesentliche Voraussetzung für eine effiziente Nutzung von Systemen der Lasermaterialbearbeitung sind Optiksysteme zur dynamischen und flexiblen Strahlablenkung. Mithilfe der Integration eines piezogetriebenen Optikmoduls in Laser-Bearbeitungssysteme sollen die Grenzen in den Bereichen Strukturieren, Schneiden und Schweißen erweitert werden. Die herkömmliche 2D-Strahlmanipulation in der Bearbeitungsebene (X- und Y-Achse) wird durch die Erschließung einer dritten Dimension (Z-Achse) erweitert. Somit werden anspruchsvolle Bearbeitungsprozesse ermöglicht.

 

Im smart3-Projekt »RHEOFORM« wird eine Erhöhung der Produktivität beim Spritzgießen von Kunststoffen durch Schmelzvibrationsanregung angestrebt. Hierbei wird die sogenannte Rheofluidisierung genutzt, die eine nachhaltige Senkung der Viskosität der Kunststoffschmelze ermöglicht, ohne den Kunststoff zu schädigen. Mit dem Einsatz von Piezokeramiken soll eine oszillierende Dehn- bzw. Scherbelastung der Schmelze bewirkt werden: Die Polymere werden also mithilfe von Ultraschall verflüssigt und können somit besser in Form gebracht werden.

 

Bleifrei in die Zukunft?

Piezoelektrische Keramiken, die heute zum großen Teil auf Bleizirkonat-Bleititanat-Verbindungen (PZT) basieren, unterliegen einer Ausnahmeregelung der EU-Richtlinie zur Verringerung von Gefahrstoffen (RoHS) und können daher unbedenklich eingesetzt werden. „Wenngleich erste Schritte zum industriellen Einsatz bleifreier Piezomaterialien getan sind und in ausgewählten Anwendungen vielversprechende Kennwerte erreicht wurden, ist eine vollständige Substitution von PZT-Piezoelementen in technischen Anwendungen jedoch noch nicht absehbar“, erklärt Dr. Franz Schubert, Leiter der Zentralen Entwicklung. PI Ceramic hat es sich dennoch zur Aufgabe gemacht, in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IKTS, mithilfe von Werkstoffen auf der Basis von Bismut-Titanaten, z. B. Bismut-Natrium-Titanat (BNT), und Alkaliniobat-Keramiken, z. B. Kalium-Natrium-Niobate (KNN), leistungsfähige, bleifreie Piezomaterialien bereitzustellen und so Zukunftssicherheit zu bieten.

PI Ceramic greift nach den Sternen

PI liefert aktuell die Antriebstechnik für den Bau des größten erdgebundenen Teleskops der Welt, dem E-ELT (European Extremely Large Telescope). Der Prismaspiegel des Teleskops wird einen Durchmesser von 39 m und eine Lichtsammelfläche von knapp 1000 m2 haben. Er soll aus 798 hexagonalen Einzelsegmenten zusammengesetzt werden. Die Technologie zur Ausrichtung der Elemente basiert auf einem Hybrid-Antrieb, bestehend aus einem Motor-Spindel-Antrieb und einem piezokeramischen Aktor. Über einen hochauflösenden Sensor können alle Ungenauigkeiten des Motor-Spindel-Antriebs gemessen und mithilfe von smart materials korrigiert werden. 2024 soll das E-ELT auf dem 3.060 m hohen Cerro Amazones in der chilenischen Atacama-Wüste in Betrieb gehen.

 

Text: Johanna Bratke
Foto: Sascha Linke, PI Ceramic GmbH, ESO/L. Calçada/ACe Consortium

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