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Zuverlässigkeit von piezoelektrischen Mehrschicht-Aktoren in der Adaptronik

Flaschenträger, David :
Zuverlässigkeit von piezoelektrischen Mehrschicht-Aktoren in der Adaptronik.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zuverlässigkeit von piezoelektrischen Mehrschicht-Aktoren in der Adaptronik
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The impact of environmental conditions on the reliability of piezoelectric multilayer actuators (PMA) in adaptronics has not been investigated sufficiently to determine the reliability of the entire adaptronic system during the development process. Conventional approaches to determine the application related lifetime of a piezoelectric actuator are based on time and cost-intensive series of experiments, which slow down the development and propagation of adaptronic systems. This work investigates the effects of environmental and application-loads on PMA. Further typical failure modes of PMA are related to loads in adaptronic systems. A systematic approach to design a series of tailored tests, based on previous knowledge of different sources, is developed and demonstrated. It is shown that the Weibull analysis is a proper tool to determine the PMA reliability. The investigated factors humidity, temperature and electric field all have a clear impact on the degradation of electrical resistance and therefor on the degradation of the PMA itself. The impact of humidity is dominant and capable of reducing a PMAs lifetime by several orders of magnitude. The used Sawyer-Tower-Circuits proved to be adequate devices to measure PMA degradation in real time during operation. After an initial transient phenomenon, the degradation of an PMA follows a logarithmic distribution. Since this behavior could be observed during all tests, it is supposed that the physical and chemical processes inside the PMA, which lead to degradation, are always the same within the parameter range investigated in this work. Based upon this knowledge a workflow was developed, which allows to incorporate different sources of knowledge in different stages of a reliability investigation, to reduce experimental cost and efforts. For validation, a new test procedure is shown, which proved to be robust against statistic effects. It uses stepwise increasing loads on single probes, to determine the effect of these loads. The developed workflow allows for early determination of the reliability of a certain PMA in a certain application. It further helps to determine which additional tests have to be made to cover different types of PMA or applications based on different partial results of this work. Compared to conventional approaches to determine the PMA reliability this allows for further time and cost savings.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM) > Development, modelling, evaluation, and use of smart structure components and systems
Date Deposited: 21 Jul 2017 07:44
Last Modified: 21 Jul 2017 07:44
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-65672
Referees: Melz, Prof. Tobias and Rinderknecht, Prof. Stephan
Refereed: 25 October 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6567
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