Simulation Konverter Sonotroden - ATHENA Technologie Beratung
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Simulation Konverter Sonotroden - ATHENA Technologie Beratung
Simulation von Sonotroden und Konvertern Entwicklertools für den Entwurf und die Analyse piezoelektrischer Systeme In Resonanz schwingende Piezowandler ATHENA-Simulationsprogramm In der Ultraschalltechnik werden Sonotroden und Ultraschallkonverter eingesetzt, um Resonanzschwingungen zu erzeugen. Es ist Stand der Technik sie in der Entwurfsphase mittels numerischer Simulationsprogramme (z. B. Finite-Element-Simulationen) auf Resonanz abzustimmen und ihre Geometrie mit dem Ziel optimaler Amplitudenverteilung zu optimieren (Bild 1). Meist werden dazu CAD-basierte Berechnungsprogramme eingesetzt, mit denen Modalanalysen des passiven Materialverhaltens durchgeführt werden können. Speziell für den Bereich piezoelektrischer Konverter und Sonotroden haben wir bei der ATHENA Technologie Beratung GmbH ein Matlab-basiertes Simulationsprogramm entwickelt, mit dem das lineare elektromechanische Verhalten inklusiv Dämpfung sekundenschnell gerechnet werden kann. Es bildet die optimale Ergänzung zu passiven Finite-Element-Rechnungen: Es eignet sich für die gestaltunabhängige Vordimensionierung ebenso wie für Analysen und Optimierungen zum Verhalten eines Konverters mit Sonotrode und / oder mit Belastung. Zugspannung [MPa] 150 Betrag Eingangsimpedanz 5 10 Mason C || R C L p 4 Bild 1 FEM-Analyse der Längsschwingung eines Ultraschallkonverters (Amplitudenverteilung) |Z| [Ohm] 10 Weniger bekannt ist, dass bestimmte Kennwerte von Ultraschallwerkzeugen auch ohne die Investition und Einarbeitung in solch spezielle Finite-ElementProgramme bestimmt werden können. Beispielsweise lässt sich allein auf Basis passiver Modalanalysen durch geschicktes Post-Processing abschätzen, • welche elektrischen Ströme bei Betrieb in Resonanz auftreten • welche elektrischen Spannungen bei Betrieb in Antiresonanz entstehen • wieviel Wirkleistung eine Sonotrode durch Materialdämpfung absorbiert • warum ein Ultraschallkonverter bei gleicher Ausgangsamplitude in Resonanz weniger Leistung braucht als in Antiresonanz Die ATHENA Technologie Beratung GmbH bietet hier ein breites Methodenspektrum an, mit dessen Hilfe Sie Ihre Simulationswerkzeuge optimal auszureizen lernen und ein tieferes Systemverständnis entwickeln. m m 3 10 2 10 100 0 2.8 2.9 3 3.1 Frequenz [Hz] 3.2 3.3 FS-dyn = 2.1 kN @ fr 50 1 10 2.7 Piezoelektrisch aktives Materialverhalten 3.4 4 x 10 FS-dyn = 1.1 kN @ fa 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Abstand zur Stirnfläche [m] Phase Eingangsimpedanz Ortskurven Y [mS] 20 Z [k Ω ] R = 26.61 Ω m L = 176.49 mH m 10 Im... Mit professionellen Finite-Element-Programmen kann neben dem passiven Materialverhalten auch das aktive elektromechanische Verhalten gerechnet werden. Dies ermöglicht z. B. die vergleichende Analyse bei Betrieb von Utraschallwerkzeugen bei der Serien- oder der Parallelresonanzfrequenz des Systems (etwas plakativ auch als „Resonanz“ und „Antiresonanz“ bezeichnet). m 0 C = 164.43 pF m Wirkleistung @ 5.0 m/s P = 15.779 W @ f C = 4.24 nF P Q = 1231.00 w w r = 13.868 W @ f a -10 p m f = 29.54 kHz r f = 30.11 kHz a 24.7 µm/A @ f r -20 M = 47.70 20.5 µm/kV @ f a -30 0 10 20 30 Re... 40 50 60 Bild 2 Frequenzgang der Impedanz eines Konverters (oben links), Zugspannungsverteilung und Ortskurven mit charakteristischen Kennwerten (unten; hier ohne Belastung untersucht) Basierend auf den Elementargleichungen eines piezoelektrischen Längsschwingers werden mit dem Simulationsprogramm charakteristische Übertragungsfunktionen im Frequenzbereich, Schwingungsverteilungen entlang der Konverter-Längsachse, Leistungsverteilungen und elektrische Ersatzparameter eines vereinfachten Standard-Ersatzschaltbildes errechnet. Belastung durch Sonotroden Mit dem ATHENA-Simulationsprogramm lässt sich analog das Verhalten eines Konverters mit Sonotrode analysieren. Schlanke Längsschwinger lassen sich direkt implementieren. Für Sonotroden, die nicht als StandardLängsschwinger aufgebaut sind (z. B. Schlitzsonotroden, Radial-, Scher- oder Biegesonotroden) besteht die Möglichkeit äquivalente Ersatzparameter in einem standardi- sierten Prozess aus FEM-Simulationen zu übernehmen, die unmittelbar in das ATHENA-Simulationsprogramm als Belastung integriert werden können. Das prinzipielle Verfahren ist in Bild 3 dargestellt. Auf diese Weise kann systematisch ein passender Ultraschallkonverter für eine Sonotrode entworfen werden, bevor mit kostspieligen experimentellen Aufbauten begonnen wird. Bild 3 Äquivalente Ersatzparameter werden aus der FEM-Analyse einer Schlitzsonotrode identifiziert und als Belastungsgrößen in ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für das Konverterverhalten integriert. Belastung durch Ultraschallprozesse Wie die Sonotrode lässt sich auch die Belastung durch einen Ultraschallprozess in das Modell einbeziehen. Auf Basis dieser Gesamtsystem-Modellierung lassen sich bereits in frühen Phasen einer Entwicklung Abschätzungen zu Größe und Gewicht der benötigten Leistungselektronik vornehmen. Kontakt Autor: Dr.-Ing. Walter Littmann, Leiter der Technischen Entwicklung der ATHENA Technologie Beratung GmbH ATHENA Technologie Beratung GmbH Technologiepark 13 33100 Paderborn Tel.: +49-52 51-3 90 65 60 Fax: +49-52 51-3 90 65 63 E-Mail: [email protected] http://www.myATHENA.de