10.0253/TUPRINTS-00006567
UNSPECIFIED
Zuverlässigkeit von piezoelektrischen Mehrschicht-Aktoren in der Adaptronik
Die Auswirkungen von Umweltlasten auf die Lebensdauer von piezoelektrischen Mehrschicht-Aktoren
(PMA) in adaptronischen Anwendungen sind bislang noch nicht hinreichend untersucht, um während des
Entwicklungsprozesses fundierte Aussagen über die zu erwartende Zuverlässigkeit des Gesamtsystems
treffen zu können. Konventionelle Ansätze, zur Bestimmung der anwendungsabhängigen PMALebensdauer
basieren auf zeit- und kostenintensiven experimentellen Versuchsreihen, welche die
Entwicklung und Verbreitung adaptronischer Systeme bremsen.
In dieser Arbeit werden die Einflüsse von Umwelt- und Lastparametern auf PMA untersucht und
quantifiziert, sowie die in adaptronischen Anwendungen typischen Lasten charakterisiert und möglichen
Fehlermechanismen gegenübergestellt. Es wird ein systematisches Vorgehen entwickelt und demonstriert,
abhängig vom verfügbaren Expertenwissen ausstehende Daten zu erfassen, auszuwerten und zu
verifizieren. Anschließend wird gezeigt, dass die Weibullanalyse ein geeignetes Mittel darstellt, um die
PMA-Zuverlässigkeit zu bestimmen und zu beschreiben.
Die untersuchten Parameter Feuchte, Temperatur und anregendes elektrisches Feld haben alle einen
deutlichen Einfluss auf die Abnahme des Isolationswiderstandes und somit auf die Degradation der
betrachteten PMA. Der Einfluss der relativen Feuchte ist dominant und imstande die Lebensdauer der
PMA um mehrere Größenordnungen zu reduzieren. Die verwendeten Sawyer-Tower-Kreise stellen ein
geeignetes Messmittel dar, um während des Betriebs der PMA die Degradation in Echtzeit zu messen. Der
zeitliche Verlauf der Degradation ist nach einer Einschwingphase logarithmisch und verhält sich, innerhalb
des betrachteten Parameterbereichs qualitativ gleich, was darauf schließen lässt, dass die physikalischen
und chemischen Prozesse, die letztlich zur Degradation führen, im gesamten Parameterbereich gleich sind.
Aufbauend auf dieser Erkenntnis wird ein strukturierter Ablaufplan entwickelt, welcher die Übernahme
vorhandenen Expertenwissens in verschiedenen Stufen ermöglicht, und so den experimentellen Aufwand
reduzieren hilft. Zur Verifizierung wird ein neuartiges Testverfahren vorgestellt. Dieses nutzt stufenweise
ansteigende Lasten an einzelnen Proben, um die Einflüsse der Lastparameter zu quantifizieren und so die
Einflüsse statistischer Effekte auf die Ergebnisse zu reduzieren.
Der entwickelte Ablaufplan ist zur Zuverlässigkeitsbestimmung weiterer PMA geeignet und erlaubt
frühzeitig Erkenntnisse darüber, welche der in dieser Arbeit gewonnenen Zwischenergebnisse auf ein
anderes System oder eine andere Anwendung übertragen werden können. Hierdurch können weitere
Einsparpotenziale gegenüber konventionellen Ansätzen zur Bestimmung der PMA-Zuverlässigkeit
gehoben werden.
Der experimentelle Aufwand, der zur Bestimmung der PMA-Zuverlässigkeit in dieser Arbeit betrieben
wurde, ist um mindestens eine Größenordnung geringer, als bei vergleichbaren vorangegangenen
Arbeiten.
Flaschenträger, David
David
Flaschenträger
only the rights of use according to UrhG
2017
Thesis