Piezo-Aktoren fest im Blick

Zur optischen Qualitätskontrolle von Piezo-Aktoren für Kraftstoff -Injektoren setzt Bosch auf Bildverarbeitungssystemevon Vitronic. In der Aktor-Produktion von Bosch prüfen Kamerasysteme namens Vinspec die Produkte auf ihre Einwandfreiheit.

Bei Kraftstoff-Injektions-Systemen für Pkw-Motoren wird der Kraftstoff mit einer Pumpe auf ein hohes Druckniveau gebracht und dann mithilfe einer Düse durch ein Ventil in fein dosierten Mengen und Intervallen in den Motorzylinder eingeschossen. Bei den meisten Injektionssystemen wurden früher diese Ventile elektromagnetisch geöffnet und geschlossen. Bosch setzt zunehmend auf Piezo-Aktoren, die das Öffnen und Schließen der Injektor-Ventile schneller und präziser steuern. Das spart Kraftstoff, reduziert Emissionen und Motorengeräusche .

Vor dem Zuschnitt der Aktor-Riegel: Die Vermessung mit Vinspec sichert die Verarbeitung funktionstüchtiger Blöcke. Bild: Vitronic

Für die Aktor-Herstellung werden spezielle Keramikfolien verwendet, die den Piezo-Effekt aufweisen. Nur mehrere Folien zu einem Block gestapelt und anschließend in Aktoren zersägt, erzielen den gewünschten Effekt und erreichen die erforderlichen Hübe. Vor dem Stapeln der Folien werden sie im Siebdruckverfahren mit Elektrodenbahnen bedruckt.

Um eine einwandfreie Funktion der späteren Aktoren zu garantieren, muss der Druck jeder Folie überprüft werden. Nicht nur Elektrodenbahnen, sondern auch Passmarken, für das spätere Stapeln der Folien, werden auf die Folien gedruckt und müssen überprüft werden. Nach dem Bedrucken setzt ein Greifer die Folien auf ein Transportband. Schnelle Zeilenkameras nehmen Bilder aller Folien auf. Das Bildverarbeitungssystem Vinspec von Vitronic prüft die Bedruckung auf Kriterien wie Löcher, fehlender Druck, Ausblutungen, korrekten Sitz der Elektrodenbahnen sowie Passermarken.

Ist alles in Ordnung werden die Folien getrocknet und zum nächsten Arbeitsschritt transportiert. Fehlerhafte Folien werden umgehend ausgeschleusst, da sie nicht weiter verarbeitet werden können. Denn nur eine unbrauchbare Folie bedeutet zirka 500 unbrauchbare Aktoren. Das Stapeln der Folien erfolgt vollautomatisch durch einen Greifer und einen Positioniertisch. Anhand der aufgedruckten Passermarken erkennt das Vitronic-Bildverarbeitungssystem die Lage der Folie und errechnet die Abweichung zur Soll-Position. Die Abweichungsdaten gibt Vinspec an den Positioniertisch weiter. Jeweils eine Folie wird gegriffen und auf dem Positioniertisch exakt ausgerichtet. Ist der Block komplett, bekommt er noch eine Abschlussfolie und wird laminiert. Dadurch härten die Folien aus, es entsteht ein solider Block.

Ohne den Einsatz des Bildverabeitungssystems wäre das exakte Positionieren und Stapeln der Folien nicht möglich. In den nächsten Arbeitsschritten werden die ausgehärteten Blöcke erst in Riegel und dann in sogenannte ‘Roh-Aktoren’ zersägt. Nach einem vorher eingelernten Schnittmaß wird der Block mit einer speziell beschichteten Säge in Riegel zerteilt. Ein falscher Schnitt kann die Elektrodenbahnen unterbrechen und der Aktor ist nicht mehr zu gebrauchen. Deshalb vermisst Vinspec auch die Riegel vor dem Zersägen und gibt die Schnittpositionen an die Säge weiter.

Funktions- und Qualitätstests: Jeweils bis zu 3 Aktoren werden von beiden Seiten von Vinspec geprüft. Bild: Vitronic

Die Bildverarbeitungssysteme messen im Mikrometerbereich. Bevor die Roh-Aktoren weiter verarbeitet werden, prüft ein weiteres Vinspec-System die Aktoren optisch auf Funktion und Qualität.  Bevor die Aktoren dann in Kraftstoffinjektoren eingebaut werden können, müssen noch eine Isolationslackschicht und die Kontakte am Aktor angebracht werden. Die Kontaktbahnen in Form eines Lötzinngitters verbinden die Elektroden und leiten die elektrische Spannung weiter. Auch diese Prozessschritte werden mit Vinspec überwacht. An allen sechs Prüfstationen ist das Bildverarbeitungssystem mit einer grafischen Benutzeroberfläche ausgestattet. Über Monitore kann der Bediener die Prüfung beobachten und Prüfergebnisse, Live-Bilder und Anlagenstatus erkennen. Alle Prüfergebnisse werden in standardisierten Dateiformaten abgespeichert.

Wie funktioniert der Piezo-Effekt? Kleiner Aktor mit großer Wirkung

Der Piezo-Effekt bewirkt, dass bestimmte Kristalle, also Materialien unter mechanischer Druckeinwirkung eine elektrische Spannung aufbauen. Durch Anlegen elektrischer Spannung lässt sich dieses Prinzip auch umkehren: Das Material verformt sich und mechanische Kräfte wirken. Für die Piezo-Aktoren wird spezielle Keramikfolie verwendet. Legt man elektrische Spannung an eine einzelne Keramikfolie an, ändert sich die Foliendicke lediglich um ein zehntausendstel Millimeter. Schichtet man allerdings mehrere hundert Folien zu einem Aktor zusammen, entstehen Kräfte, die einen 300kg schweren Körper hochheben – und das im Bruchteil einer Sekunde. Moderne Piezo-Aktoren sind genauso aufgebaut: Mehrere zu einem Block gestapelte Folienschichten sind mit Elektrodenbahnen bedruckt. Zu kleinen Blöcken zersägt, bilden sie einen leistungsstarken Aktor.