Der piezoelektrische Effekt und sein Konterpart, der inverse Piezoeffekt, blieben nach der Entdeckung im späten 19. Jahrhundert lange ohne praktische Anwendung. Die Kopplung von Mechanik und Elektrizität, die wir heute smart nennen, traf offenbar auf kein Problem, das sich mit ihrer Anwendung zu vertretbaren Kosten hätte lösen lassen. Erst die Idee, Unterseeboote mithilfe von im Wasser erzeugten Schallwellen zu orten, brachte eine Anwendungsforschung zuwege. Heute finden sich piezoelektrische Keramiken in einer Vielzahl von Produkten der unterschiedlichsten Lebensbereiche, angefangen von Piezozündern in Feuerzeugen über Einparksensoren, Reinigungsgeräte, Piezomotoren für den Autofokus in Kameraobjektiven und Ultraschallwandlern zur medizinischen Bildgebung.

Werkstoffentwicklung berücksichtigt komplexe Anforderungen

Der Systementwickler kann derzeit aus einer Fülle von Komponenten auswählen, denn es steht eine umfangreiche Palette von piezoelektrischen Keramikwerkstoffen zur Auswahl, die wohlabgestimmte Eigenschaften besitzen.
Besteht überhaupt noch Bedarf an weiterer Werkstoffentwicklung?

Werkstoffentwicklung berücksichtigt komplexe Anforderungen, die sich im Kontext der technischen und gesellschaftlichen Entwicklung ändern. So hat die Erfindung des elektrischen Ladungsverstärkers um 1950 die piezoelektrische Kraftmesstechnik erst möglich gemacht und die Entwicklung piezoelektrischer Sensoren beflügelt. Derzeit wird die Entwicklung piezokeramischer Werkstoffe und Komponenten durch die Digitalisierung vorangetrieben. Piezokeramische Wandler finden hier ihren Platz, z. B. als verteilte, integrierte Sensoren für mechanische Größen, haptische Mensch-Maschine-Schnittstellen und Schallwandler.

Vor diesem Hintergrund hat das IKTS im Netzwerk smart3 Werkstoffe und neue Formgebungstechnologien erforscht und zusammen mit Partnern für innovative Anwendungen und Produkte weiterentwickelt, z. B. für werkzeugintegrierte Kraftsensorik im Bereich Industrie 4.0, in den Projekten »SensoTool« und »PieMontE« und für smart-Mobility-Anwendungen im Projekt »SmartFrame+«. Die systematische Erkundung der neuen Bedarfe mit Anwendungspartnern nach innovativen Methoden der Co-Creation war Gegenstand in den Vorhaben »Piezotransfer« und »SmartCo-Creation«. Sie haben relevante Forschungsfragen aus Market-Pull-Situationen heraus bestimmt und die Technology-Push-Perspektive bewusst gemieden, um wirklich markt- und bedarfsgerechte Fragen definieren und Innovationen kreieren zu können.

Piezokeramische Materialbasis soll mittelfristig ersetzt werden

Eine wichtige Entwicklungsaufgabe ergibt sich daraus, dass nahezu alle industriell angewendeten piezokeramischen Werkstoffe aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) Mischkristallen bestehen und Bleiionen enthalten. Die EU-Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (RoHS) verbietet Blei weitestgehend, gewährt aber für bleihaltige Piezokeramik eine Ausnahme für genau bezeichnete Anwendungen bis Mitte 2021. Diese Frist wird eventuell verlängert, denn für eine Ablösung von PZT ist noch Forschung notwendig.
Seit ca. 20 Jahren wird bereits an bleifreien piezokeramischen Werkstoffen intensiv geforscht. Das Periodensystem der Elemente ist praktisch durchdekliniert und alle relevanten und aussichtsreichen Mischverbindungen sind untersucht. Leider reicht bisher nichts an die Eigenschaften von PZT heran. Die Aufgabe der Werkstoffentwickler besteht darin, schlechtere Grundeigenschaften durch ergänzende Ansätze zu verbessern, z. B. durch spezielle Ausprägung des Werkstoffgefüges, Gestaltung der Komponenten und Ansteuerung mit entsprechenden Betriebs-Modi. Ein weiterer Aspekt betrifft die Bereitstellung von Charakterisierungsmethoden, Modellen und Auslegungshilfen, die es Systementwicklern und Anwendern gestatten, Komponenten aus bleifreier Piezokeramik anforderungsgerecht auszuwählen und zu bemessen.
Die Abteilung Intelligente Materialien und Systeme am Fraunhofer IKTS widmet sich all diesen Aspekten. So wurde eine Texturierungstechnologie für bleifreie Piezowerkstoffe entwickelt, die durch ein anisotropes keramisches Gefüge die Wandlereigenschaften in einer Raumachse deutlich verbessert und Anwendungspotenzial hat. Außerdem kann die Technologie auf andere Werkstoffe übertragen werden.
Trotzdem darf man nicht vergessen, dass die Entwicklung bleifreier Piezokeramik kein Selbstzweck ist, ihr Aufwand muss in Relation zum erwarteten gesellschaftlichen Nutzen stehen. Die Bleiionen sind im PZT-Mischkristall chemisch fest eingebunden und können nicht ohne Weiteres herausgelöst werden. Von der weltweit jährlichen Bleiverwendung fallen nur 0,02 % auf Piezokeramik. Gefahr geht vom Blei eher in der Herstellung als in der Anwendung als Piezokeramik aus.

Drucktechnologie erlaubt den vollständig digitalen Workflow vom CAD-Modell zum Grünling

Hohen Stellenwert haben innovative Formgebungstechnologien. Anspruch und Trend gehen in Richtung eines vollständig digitalisierten Workflows, der ohne analoge Zwischenschritte wie Formen, Schablonen, Siebe usw. auskommt. Die Entwicklung ist mit der additiven Fertigung metallischer oder polymerer Werkstoffe vergleichbar, jedoch weitaus komplizierter, da zunächst nur ein keramischer Grünkörper hergestellt wird, der noch gesintert werden muss: ein nicht zu unterschätzender Schritt mit ganz eigener Dynamik. Die Schwierigkeit erhöht sich mit der Zahl der zu verbindenden Werkstoffe, wie z. B. den notwendigen Elektrodenschichten.
Für viele Anwendungen, wie in der Sensorik und Ultraschalltechnik, können Drucktechnologien diese Anforderungen erfüllen. Wenn düsenbasiert gedruckt wird, erlauben sie strukturiertes Auftragen von Material auf nahezu alle geformten Oberflächen im digitalen Workflow. Am IKTS werden der Aerosoldruck und andere düsenbasierte Verfahren erforscht, um die für piezoelektrische Wandler benötigten Funktionsschichten zu verdrucken. Derzeit wird eine Anlage entwickelt, die den Aerosoldruck mit hoher Präzision auf frei geformten Substraten ermöglicht und thermische Schritte einschließt. Das smart3-Investitionsprojekt »SmartPrint« des IKTS ist auch ein Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie.