Simulation und Messung: FEM, Piezo, Dynamik, Laservibrometrie, Prototypenbau,…

Modellierung und Simulation des „aktiven“ piezoelektrischen Materialverhaltens

Mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) simulieren wir das elektromechanische Verhalten von piezoelektrischen Systemen. Wir berücksichtigen dabei die in derartigen „aktiven“ Werkstoffen ausgeprägte Richtungsabhängigkeit (Anisotropie) der elastischen, piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften. Wechsel der Polarisationsrichtung, die z.B. in piezoelektrischen Transformatoren oder in Stapelaktoren von Ultraschall-Transducern vorkommen, werden ebenfalls abgebildet. Da wir darüber hinaus materialspezifische Dämpfung erfassen, können wir z.B. Impedanzkurven sehr realitätsnah berechnen.

Lasermessung von Ultraschallschwingungen

Die Messung von Vibrationen im Ultraschallbereich erfordert spezielle Messtechnik. Mittels Lasermesstechnik können wir dynamische Prozesse hochgenau und berührungslos analysieren, ohne das empfindliche Verhalten der Sensoren und Aktoren zu beeinflussen. Bei der ATHENA Technologie Beratung GmbH verwenden wir dies beispielsweise zur Fehleranalyse in Produkten unserer Kunden, zur Analyse von Frequenz- und Amplitudenstreuungen durch Toleranzen in der Fertigung und zur Validierung von Ergebnissen elektromechanischer Simulationen (FEM). Das Bild zeigt die Amplitudenverteilung eines 100 kHz Flüssigkeitsverneblers mit Durchmesser 20 mm.

Thermosimulation und Temperaturmessung

In Resonanz schwingende Strukturen (wie z.B. Ultraschallwandler) erwärmen sich aufgrund innerer Reibungsverluste. Ein integrales Maß für solche Dämpfungsprozesse ist die Wirkleistungsaufnahme, die sich elektrisch z.B. mit dem ATHENA Generator genau bestimmen lässt. Aussagen zur thermisch bedingten Frequenzdrift lassen sich durch thermische Simulationen und Temperaturmessungen gewinnen. Temperaturverteilungen in Konvertern und Sonotroden aufgrund innerer Schwingungsverluste können ebenfalls mit FEM simuliert werden. Sie lassen sich durch Messungen mit der Wärmebildkamera elegant validieren.

Simulation von Stoßprozessen und Reibungsdynamik

Seit vielen Jahren beschäftigen wir uns bei der ATHENA Technologie Beratung GmbH mit der Simulation dynamischer Vorgänge mit Stoßkontakten und Reibung. Unser Anspruch ist es dabei nicht die Physik neu zu erfinden, sondern mit Hilfe möglichst einfacher Modelle ein grundlegendes Verständnis für Prozesse zu schaffen, die ansonsten nicht ohne weiteres überschaubar sind. Uns treibt dabei aber auch eine gewisse Neugier, um immer wieder neu zu lernen, was mit modernen Simulationswerkzeugen simulierbar ist und inwieweit die Ergebnisse z.B. durch Lasermessungen bestätigt werden.

Elastizität und Dämpfung im kHz- bis MHz-Bereich

Zur Charakterisierung von Werkstoffen wie Kunststoffen werden neben Zugversuchen (statisch) üblicherweise DMA-Messungen durchgeführt. Dabei wird das dynamische Verhalten (E-Modul und Verlusteigenschaften) gemessen, und zwar im Frequenzbereich um 100 Hz. Oft weicht das Werkstoffverhalten im Frequenzbereich von 1 kHz bis 1 MHz aber deutlich von diesen eigentlich noch quasistatischen Charakterisierungen ab. Bei der ATHENA Technologie Beratung GmbH werden daher Messungen durchgeführt, bei denen Materialproben in ihrer Eigenresonanz betrieben werden, um die Materialparameter zu bestimmen. Genaueres s. unter Materialcharakterisierung Kunststoffe

Technologiedemonstratoren und Prototypen

Zum Nachweis der technischen Machbarkeit entwickeln, erproben und optimieren wir für unsere Auftraggeber Technologie-Demonstratoren und Funktionsprototypen. Auf Wunsch unserer Kunden begleiten wir die Entwicklung bis zum Erreichen der Serienreife bzw. bis zum Produktionsanlauf.