SUCCESS STORY – Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien-- Steffen Arnold --Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien
Die treibende Kraft für hochgenaue Dosieranwendungen

PI Ceramic GmbH, Lindenstraße, D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0, Fax +49 36604 882-4109,E-Mail info@piceramic.de

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SUCCESS STORY – Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien-- Steffen Arnold --Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung in der Prozessund Medizintechnik steigen die Anforderungen an die
Komponenten ständig. Das trifft besonders dann zu, wennkleine Volumina mit hoher Präzision dosiert werden, aberauch bei Aerosolanwendungen oder bei der Herstellung vonMicroarrays oder Biochips. Piezobasierte Antriebslösungenbieten hierfür gute Voraussetzungen.
Piezoantriebe erzeugen Linearbewegungen sehr präzise unddirekt und haben sich bereits in vielen vergleichbaren
Anwendungen bewährt. Zugleich lassen sie sich gut an die
jeweilige Applikationsumgebung anpassen. Da sie bei kleinem
Bauraum hohe Effizienz bieten, können auch Antriebe fürmobile Geräte oder die Lab-on-a-Chip-Technik realisiert
werden.
Im Folgenden werden beispielhaft verschiedene piezobasierte
Antriebslösungen für Dosieranwendungen dargestellt:
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Mikromembranpumpen
Mikrodosierventile
Schlauchpumpen
PipeJet Dispenser
Aerosolerzeugung
Air-Bubble-Detektoren für die Flussüberwachung

Piezoaktoren: schnell, präzise undlanglebig

Abb. 1

Da mit Piezoelementen sehr unterschiedliche Designs
realisierbar sind, findet sich praktisch für jede Aufgabenstellungeine maßgeschneiderte Lösung

Mikromembranpumpen – hoheFörderraten auch bei Gegendruck
Mikromembranpumpen eignen sich für die präzise Dosierungsowohl von Gasen als auch von Flüssigkeiten. Eine Membran
trennt dabei das zu fördernde Medium vom Antrieb.
Beeinträchtigungen der gepumpten Medien durch den
Antrieb und umgekehrt sind dadurch ausgeschlossen. Passive
Ein- und Auslassventile steuern die Pumprichtung (Abb. 2).

Piezoaktoren haben kurzen Ansprechzeiten und bewegen sichdabei dynamisch mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich
und Frequenzen bis zu mehreren tausend Hertz. Außerdemarbeiten Piezoaktoren wartungsfrei, da sie keine im
klassischen Sinn bewegten Teile haben. Die Bewegung beruht
auf kristallinen Festkörpereffekten, daher gibt es keine
rotierende oder reibende Mechanik.
Weil sie statisch keine elektrische Leistung benötigen, können
die Piezos auch im Hinblick auf den Energieverbrauch
punkten. Ihr Einsatzbereich ist dadurch breit gefächert. So
sind in Prozess- und Medizintechnik beispielsweise kurze
Dosierzyklen realisierbar. Durch die variablen Hübe lassensich Dosier- und Pumpvorgänge zudem fein justieren undpräzise steuern.
Die Firma PI Ceramic in Lederhose, Thüringen, bietet eine
umfangreiche Produktpalette piezoelektrischer Komponenten
in verschiedenen, auch kundenspezifischen Formen sowie
Piezoaktoren mit und ohne Vorspannung in unterschiedlichen
Größen (Abb. 1). Die langlebigen und ausgesprochen
robusten Aktoren haben sich bereits in zahlreichen
Anwendungsbereichen
bewährt,z. B.
inMikromembranpumpen.

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Funktionsprinzip einer Mikromembranpumpe

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SUCCESS STORY – Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien-- Steffen Arnold --Als Antriebssystem bieten sich bei den miniaturisierten
Varianten
diesesPumpentyps
hochdynamischePiezoelemente in Scheibenform an, die direkt auf eine
Metallscheibe angebracht werden (Abb. 3). Auch bei
Gegendruck lassen sich so hohe Förderraten realisieren,indem die Schaltfrequenzen oder die Amplitude derPiezoauslenkung über eine entsprechende Regelung variiertwerden.

Abb. 3

Mikromembranpumpen mit Piezoelementen in Scheibenform:
Der Platzbedarf dieser Antriebslösung ist äußerst gering (Bild:thinXXS Microtechnology AG)

Typische Spezifikationen für solche Mikromembranpumpen
sind beim Dosieren von Flüssigkeiten z. B. eine Flussrate bis
ca. 80 ml/min bei Schaltfrequenzen zwischen 25 und 120 Hzund einem potentiellen Gegendruck von 200 bis 500 mbar.
Bei der Dosierung von Gasen liegen die Werte bei 0,1 bis
250 ml/min, 100 bis 500 Hz und 100 mbar.
Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten breit gestreut. Siereichen von Labor- und Medizintechnik über Chemie undPharmazie bis hin zum Maschinenbau. Piezogetriebene
Membranpumpen können hier beispielsweise die benötigten
Schmier- und Kühlmittel sehr genau dosieren. Wegen ihrer
kompakten
AbmessungenlassensichdieseDosiervorrichtungen direkt „vor Ort“ anbringen undreduzieren so meist den Verbrauch.

Mikrodosierventile: hohe
Flussraten bei hochgenauer
Dosierung
Mikrodosierventile funktionieren ähnlich wie Pumpen. Die
erforderlichen Kräfte sind hier allerdings höher, da gegen eine
Schließmechanik gearbeitet werden muss. Die dabei üblichenDosierfrequenzen im Kilohertzbereich sind praktisch nur mit
Piezoaktorik realisierbar.

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Mikrodosierventile erreichen Flussraten bis zu einigen
10 Litern pro Minute bei hochgenauen Einzel- undMengendosierungen im Mikro- und Nanoliterbereich. Dabei
kommen natürlich auch die geringen Schaltzeiten derPiezoaktorikzumTragen,dieimMillibis
Mikrosekundenbereich liegen.
Je nach Baugröße arbeiten in den Mikrodosierventilen
unterschiedliche Piezokomponenten. So werden kleine
Piezoröhrchen für Drop-on-Demand-Verfahren wie inTintenstrahldruckern eingesetzt. Miniaturisierte Ventile fürDosieraufgaben im Nanoliter-Bereich werden z.B. mit
Piezoscheiben realisiert. Ist der Bauraum nebensächlich,könnenPiezostapelaktorenoderhebelübersetzte
Piezoantriebe eingesetzt werden. Diese erzeugen größere
Kräfte und eignen sich für längere Stellwege und damit auchfür Applikationen, bei denen – abhängig von den
Materialeigenschaften – bestimmte Tropfengrößen erreicht
werden müssen.
Mikrodosierventile werden auch zur Medikamentendosierung
eingesetzt (Abb. 4). Ähnliche Anwendungen finden sich auch
im industriellen Bereich bei der Feindosierung von Lötmitteln,Ölen, Fetten, Klebstoffen etc. Dabei eignen sich Mikroventile
sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten.

Abb. 4In Mikroventilen, insbesondere wenn viskose Flüssigkeiten mit
tendenziell höheren Druckkräften verarbeitet werden, könnenTranslationsaktoren mit und ohne Vorspannung eingesetztwerden, wo größere Hübe des Ventilstößels benötigt werden,
auch mit Hebelübersetzung

Schlauchpumpen: gleichmäßige
und stoßfreie Dosierung
Wenn Flüssigkeiten oder Gase nicht nur präzise, sondern auchmöglichst gleichmäßig und stoßfrei dosiert werden sollen,bieten sich häufig Schlauch- oder Peristaltikpumpen an.

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SUCCESS STORY – Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien-- Steffen Arnold --Bei ihnen wird das zu fördernde Medium durch äußere
mechanische Verformung eines Schlauches durch diesen
hindurchgedrückt.

Abb. 5

Funktionsprinzip einer Schlauchpumpe

Die mechanische Verformung wird durch Piezoaktoren
bewirkt (Abb. 5). Schlauchpumpen lassen sich sehr einfachsterilisieren, arbeiten kontaktlos und sind ohne Ventile inbeide Richtungen zu betreiben. Die Pumprichtung wird durch
die Ansteuerung der einzelnen Aktoren bestimmt.
Solche Schlauchpumpen findet man in der Labortechnik
ebenso wie beim Dosieren von Industrieklebern oder
Lötmitteln und auch die meisten Infusionspumpen arbeitennach diesem Prinzip. Als Antriebselement sind hier je nachAnforderungen
anKraftundBauraum
flachePiezobiegeelemente, kompakte Piezochipaktoren oder
Piezostapelaktoren eingesetzt.
Biegewandler eignen sich dabei hauptsächlich fürAnwendungen mit niedrigem Gegendruck, z. B. fürFlüssigkeiten mit niedriger Viskosität. Durch den geringen
Bauraum, den sie beanspruchen, lassen sie sich sehr gut in diePumpen integrieren. Höhere Gegendruckfähigkeit bieten diePiezoaktoren, mit denen auch Stoffe höherer Viskosität
verarbeitet werden können.

Abb. 6

Schnittbild durch einen PipeJet (Biofluidix)

DieFluidleitung
besteht
auseinem
elastischen
Polymerschlauch mit definiertem Innendurchmesser. Dereingesetzte Aktor dehnt sich entlang seiner Längsachse aus
und kann den Polymerschlauch über einen Kolben bis zu 100mal stärker verengen als z. B. Ringaktoren.
Damit bringt er für die sichere Dosierung schwieriger Medien
genügend Kraftreserven auf und auch partikelbehaftete
Flüssigkeiten wie z. B. Farben, Bead- oder Zellsuspensionen
können problemlos in exakter Tröpfchenform dosiert werden.
Ein Anwendungsbeispiel für solche Dispenser in der klinischen
Diagnostik sind Lateral Flow Assays, also Teststreifen, die einegezielte Dosierung von Flüssigkeiten erfordern.

PipeJet-Dispenser: daspiezogetriebene
Direktverdrängungsverfahren
Besondersinteressantist
daspiezogetriebene
Direktverdrängerverfahren der PipeJet-Dispenser (Abb. 6),
das sich in entscheidenden Punkten von den meisten üblichen
Piezo-Dosierverfahren unterscheidet (Abb. 7).

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Die PipeJet-Technologie setzt beim Dosieren
piezogetriebene Direktverdrängung. (Biofluidix)

aufeineSeite 4 von 6

SUCCESS STORY – Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien-- Steffen Arnold --Effiziente Aerosolerzeugung mit
Piezoelementen
In der Medizintechnik nutzt man Piezoaktoren oft in
Therapiegeräten.
ZurBehandlungvonAtemwegserkrankungen werden die Medikamente häufig
durch Vernebler direkt verabreicht. Üblicherweise zerstäubt
dabei Druckluft die Inhalationslösung in feinste Tröpfchen.
Eine alternative Methode ist die Erzeugung feinster Tröpfchen
mit Hilfe der Piezotechnologie. Speziell geformtePiezoscheiben wirken hier als Ultraschallwandler und regeneine mit mehreren tausend Löchern versehene
Edelstahlmembran zu Ultraschallschwingungen mit über100 Kilohertz an (Abb. 8).

Ultraschall ist für den Menschen geräuschlos, und der geringe
Energiebedarf der Piezokomponente ermöglicht auch denBatteriebetrieb. Außerdem verringert die Piezotechnologie
die benötigte Zeit für die Verneblung von Medikamenten um
bis zu 50 % verglichen mit konventionellen Systemen. Geradefür Patienten mit chronischen Atemwegserkrankungenbedeutet dies einen Zugewinn an Lebensqualität.

Air-Bubble-Detektoren für die
FlussüberwachungIm medizinischen Bereich ist es häufig nötig, einenungestörten Fluss ohne Luft- oder Gaseinschlüsse
sicherzustellen, z. B. in der Dialyse, bei Transfusions-pumpen.
Dies gelingt mit Hilfe der Ultraschalltechnik in sogenannten
Air-Bubble-Detektoren (ABD), auch Blasendetektoren genannt(Abb. 9).
In diesen Sensoren dienen Piezoelemente zu Erzeugung undzum Empfang von Ultraschallwellen. Die Sensoren werden
außen an flexiblen Schläuchen angebracht und arbeiten ohne
Kontakt zum transportierten Medium; sie beeinträchtigen
daher weder die Durchflussmenge noch ist die Gefahr einer
Kontamination gegeben. Durch die nichtmagnetischePiezotechnologie ist – bei geeigneter Abschirmung derElektronik – daher sogar ein Betrieb in extremer Umgebung
möglich, wie im Bereich von Magnetresonanztomografen.

Abb. 8Die Aerosolerzeugung im Verneblerkopf der eFlow® rapid
Electronic Nebulizer Serie setzt Piezoaktoren zur Erzeugung vonUltraschallschwingungen ein. (Pari Pharma GmbH)

Dadurch werden besonders homogene Aerosole erzeugt. Diesbringt Vorteile für die präzise Dosierung – die hochwertigen
Medikamente können gezielter verabreicht werden, was denZugang zu neuen Therapiekonzepten ermöglicht und das
Risiko von Nebenwirkungen reduziert. Selbst die speziellen
Hygieneanforderungen, die der Einsatz in der Medizintechnik
mit sich bringt, meistert die Piezokeramik; dieAerosolerzeuger sind für die professionelle Sterilisation inAutoklaven geeignet.

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UltraschallbasierendeBlasendetektorenüberwachen
denFluss
kontaktfrei(Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH)

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SUCCESS STORY – Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien-- Steffen Arnold --Fazit

Autoren

Piezoaktoren haben sich als Antriebselemente für Pump- undDosieranwendungen in der Prozess- und Medizintechnik
bewährt. Sie sind wartungsfrei, arbeiten mit kurzen
Ansprechzeiten und bewegen sich dabei mit Auflösungen imSub-Nanometerbereich bei hoher Dynamik und Frequenzen
bis zu mehreren Tausend Hertz.
Piezoelektrische Antriebslösungen können bei einer Vielzahl
unterschiedlicher Systeme eingesetzt werden und teilweisesogar neue Lösungsansätze ermöglichen. Auch die
entsprechenden Ansteuerelektroniken lassen sich perfekt auf
die jeweilige Applikation anpassen und bieten die
erforderliche Dynamik für die kurzen Schalt-zeiten. Die in
Karlsruhe ansässige Firma Physik Instrumente (PI), die
Muttergesellschaft
derPiezokeramik-Spezialisten
inLederhose, hat für nahezu jede Aufgabenstellung diepassende Lösung parat.

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ beiPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro StutenseeÜber PI Ceramic
PI Ceramic gilt als weltweit führendes Unternehmen auf demGebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. GroßeErfahrung
imkomplexenEntwicklungsund
Herstellungsprozess funktionskeramischer Bauelemente
verbunden
mitmodernster
Produktionsausstattung
gewährleisten hohe Qualität, Flexibilität und Liefertreue.
PrototypenundKleinserienkundenspezifischer
Piezobaugruppen
stehenbereitsnachkurzenBearbeitungszeiten zur Verfügung. PI Ceramic besitzt darüber
hinaus die Kapazitäten für die Herstellung mittlerer undgroßer Serien in automatisierten Linien. PI Ceramic ist ein
Tochterunternehmen der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.
KG und hat seinen Sitz in Lederhose, Thüringen.

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