Einfluss der Klebschichtdicke auf Kopplungsfaktor und Lebensdauer beim Bekleben von piezoelektrischen Flächenwandlern mit Epoxykleber

Ferdinand Widjaja; Enrico Janssen; Nader Safi

doi:10.3139/120.110737

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Artikel

Einfluss der Klebschichtdicke auf Kopplungsfaktor und Lebensdauer beim Bekleben von piezoelektrischen Flächenwandlern mit Epoxykleber

Ferdinand Widjaja , Enrico Janssen und Nader Safi

Veröffentlicht/Copyright: 21. April 2015

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Aus der Zeitschrift Materials Testing Band 57 Heft 5

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurden Kopplungsfaktor und Lebensdauer von auf Federstahl mit Epoxykleber geklebten Piezoflächenwandlern unter Einflussgrößen wie Oberflächenrauigkeit und Klebschichtdicke mit einem Ansatz aus der Schwingungslehre experimentell untersucht. Verschiedene Proben mit variierten Klebschichtdicken wurden mit bestimmten Vorgangseinrichtungen erstellt und beklebt. Analytische Berechnungen wurden durchgeführt, um den Einfluss der Klebschichtdicke und Oberflächenrauigkeit auf den elektromechanischen Kopplungsfaktor sowie die Zuverlässigkeit zu betrachten. Der Einfluss der Klebschichtdicke auf den Kopplungsfaktor wurde dem der Fertigungstoleranzen und der Materialstreuung gegenübergestellt. Das Ermüdungsverhalten in Abhängigkeit von Klebschichtdicke wurde in Langzeitversuchen ausgewertet und verglichen. Die Ergebnisse zeigen keinen nennenswerten Einfluss der Klebschichtdicke auf Kopplungsfaktor und Lebensdauer bei Applikationen von Piezoflächenwandlern mit Epoxykleber.

Abstract

In this study, the contribution the coupling-factor and the service life reliability of piezoelectric patches attached to spring steel with epoxy resin was investigated regarding influences of surface roughness and the thickness of the adhesive layer on the basis of the theory of oscillation. Several specimens with varied thicknesses of the adhesive layer were prepared with the help of specific process apparatus and bonded subsequently. Analytical calculations were executed in order to assess the influence of the adhesive layer thickness and the surface roughness on the electromechanical coupling factor as well as the service life reliability. The influence of the adhesive layer thickness on the coupling factor was compared to that of the manufacturing tolerances and the material scatter. The fatigue behavior determined by the adhesive layer thickness was evaluated and assessed based on long-term experiments. The results show no significant influence of the adhesive layer thickness on the coupling factor und the service life reliability for bonding applications of piezoelectric patches with epoxy resin.

§Korrespondenzadresse, M.Eng. Ferdinand Widjaja, B. Sc. Nader Safi, Abteilung Zuverlässige Signalverarbeitung und Strukturüberwachung, Bereich Adaptronik, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Bartningstr. 47, 64289 Darmstadt, E-mail: nader.safi@lbf.fraunhofer.de

M. Eng. Ferdinand Widjaja, Jahrgang 1980, studierte Mechatronik an der Hochschule Darmstadt von 2001 bis 2006. Seinen Masterstudiengang mit der Vertiefungsrichtung Automobilentwicklung absolvierte er von 2006 bis 2010. Von 2009 bis 2014 war er Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Er beschäftigte sich mit der Auslegung und Aufbau von passiven und adaptiven Tilgersystemen sowie der Entwicklung aktiver Schwingungsminderungssystemen.

Dipl.-Ing. Enrico Janssen, Jahrgang 1980, studierte Allgemeinen Maschinenbau an der TU Darmstadt von 1999 bis 2006. Von 2006 bis 2009 war er Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachbebiet Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik (SzM). Seit 2009 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Er beschäftigte sich mit Systemanalyse und Materialcharakterisierung eines Temperatur- und Drucksensors auf Basis von SiOC-Keramik (DFG-Schwerpunktprogramm 1181). Seine heutigen Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf Untersuchungen zur Zuverlässigkeit von (adaptiven) Tilgersystemen, Moderation von FMEA, Moderation von Gefährdungs- und Risikoanalysen im Rahmen der Funktionalen Sicherheit von E-Mobilität.

BSc Nader Safi, Jahrgang 1979, studierte Mechatronik an der Hochschule Darmstadt von 2002 bis 2007. Von 2007 bis 2008 war er Technischer Mitarbeiter am Institut für Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik (SzM). Seit 2008 ist er Technischer Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Er beschäftigt sich mit dem Thema Zuverlässigkeit von piezokeramischen Folienmodulen für energieautarke Systeme (Energy Harvesting) sowie Lebensdaueruntersuchungen und Zuverlässigkeit von adaptiven Tilgersystemen.

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Published Online: 2015-04-21

Published in Print: 2015-04-30

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https://doi.org/10.3139/120.110737