Actuadores piezoeléctricos multicapa frente a actuadores electromagnéticos: una comparación técnica y un análisis de aplicaciones.

1. Introducción
2. Cómo funciona cada tecnología
3. Comparación técnica lado a lado
4. Casos de uso y toma de decisiones
5. Bestarsensor: Actuadores piezoeléctricos multicapa
6. Conclusión

Introducción
En la automatización industrial actual, los actuadores son más necesarios que nunca. En la fabricación de semiconductores, los robots médicos y otros sistemas ópticos se utilizan sistemas de control de movimiento más pequeños, rápidos y precisos que hace tan solo diez años.
Actualmente, los ingenieros exigen ciertos requisitos a los actuadores. En primer lugar, deben ser de tamaño reducido. Además, requieren tiempos de respuesta rápidos. Para algunas aplicaciones, deben funcionar en entornos donde no se pueden utilizar campos magnéticos. Estas exigencias hacen que muchas aplicaciones superen las capacidades de los actuadores electromagnéticos convencionales.
Las dos tecnologías preferidas son los actuadores electromagnéticos y los actuadores piezoeléctricos multicapa. Son tecnologías maduras, estables y fácilmente disponibles. Sin embargo, la física subyacente a estas tecnologías es completamente diferente y presentan características similares, pero a la vez cruciales, en los aspectos más importantes para las aplicaciones de control de movimiento de precisión.
Sensor Bestar diseños Cerámica piezoeléctrica multicapa Para una actuación de precisión. Este blog tiene como objetivo ofrecer una comparación técnica objetiva de las tecnologías para ayudar a los ingenieros en su elección.

Cómo funciona cada tecnología
1. Actuadores electromagnéticos
Los actuadores electromagnéticos generan energía mecánica a partir de energía eléctrica mediante magnetismo. Una bobina por la que circula corriente produce un campo magnético. Este campo actúa sobre un imán permanente o un elemento ferromagnético, generando una fuerza. Al variar la corriente, se puede controlar la fuerza y ​​la posición.
La fuerza de Lorentz, que constituye la base de motores, solenoides, actuadores de bobina móvil y motores lineales, es una tecnología consolidada, fácil de controlar con cualquier electrónica de control y capaz de proporcionar grandes recorridos, incluso a largas distancias.
Mecánicamente, esta tecnología suele constar de una bobina, un imán respecto al cual se mueve y algún tipo de cojinete o sistema de guía. Existirá un espacio entre las partes móviles y fijas. Es de esperar cierto grado de fricción, desgaste e histéresis magnética.
2. Actuadores piezoeléctricos multicapa
Los actuadores piezoeléctricos se basan en un concepto muy diferente. Algunos tipos de cerámica se deforman al aplicarles un voltaje. Esto se conoce como el efecto piezoeléctrico inverso. Si se aplica un voltaje positivo, por ejemplo, se estirarán ligeramente. Si se aplica un voltaje negativo, se contraerán.
El desplazamiento por capa individual de cerámica es muy pequeño, del orden de nanómetros por voltio. Sin embargo, al construir el dispositivo multicapa, una pila de muchas capas delgadas de cerámica conectadas en serie eléctricamente y en paralelo mecánicamente da como resultado la suma de todos los valores de deflexión. Esto genera una pila sólida de cerámica que produce un desplazamiento útil para potenciales de accionamiento aceptables.
El dispositivo no tiene bobinas, imanes ni piezas móviles. El conjunto cerámico es un dispositivo de estado sólido. Se expande y contrae en estado sólido, sin fricción, holgura ni desgaste en la interfaz.

Comparación técnica lado a lado
La tabla que figura a continuación resume las principales diferencias de rendimiento entre ambas tecnologías en los parámetros más importantes para las aplicaciones de precisión.

Casos de uso y toma de decisiones
1. Cabezales de impresión de inyección de tinta: Válvulas de precisión de alta frecuencia
Los cabezales de impresión de inyección de tinta necesitan expulsar gotas a frecuencias de repetición muy altas (hasta decenas de miles de gotas por segundo). La expulsión de gotas debe ser constante y altamente controlada. No se garantiza que las válvulas electromagnéticas funcionen a estas frecuencias. La inductancia de la bobina limita la velocidad a la que se puede aplicar y retirar la corriente, lo que limita la velocidad de actuación.
Los actuadores piezoeléctricos no tienen esa limitación. Pueden operar a decenas de kilohercios en entornos reales, e incluso más en productos especializados. Por eso, los cabezales de inyección de tinta industriales, los sistemas de dosificación ultrarrápida y otras aplicaciones de control de fluidos que requieren volúmenes dosificados con precisión a alta velocidad utilizan ahora tecnología piezoeléctrica.
2. Ajuste subnanométrico en óptica y litografía
Los sistemas de litografía en la fabricación de semiconductores requieren un posicionamiento subnanométrico de los elementos ópticos. Los sistemas de alineación óptica necesitan ajustar los espejos con una precisión superior a la longitud de onda de la luz. Esto no se puede lograr con un sistema de actuadores electromagnéticos sin una platina de precisión.
Los actuadores piezoeléctricos son la solución. Presentan una relación lineal entre el voltaje aplicado y el desplazamiento, sin holgura ni fricción estática. Su resolución de posición depende únicamente de las capacidades de la electrónica de control. Existen sistemas de lazo cerrado que permiten una resolución subnanométrica, disponibles en formato miniatura con amplificadores de precisión.
Por este motivo, las plataformas piezoeléctricas son fundamentales en las herramientas de inspección de semiconductores, la óptica adaptativa, la alineación de fibra óptica y los microscopios confocales.
3. Microbomba para aplicaciones médicas y biofarmacéuticas
La miniaturización en la tecnología médica sigue en aumento. Se necesitan mecanismos actuadores más pequeños, ligeros y eficientes para la administración de fármacos implantables, dispositivos de diagnóstico en el punto de atención y puntas de instrumental quirúrgico.
Los actuadores electromagnéticos no se adaptan bien a diferentes tamaños. La fuerza que generan disminuye rápidamente a medida que disminuye el tamaño.
Los actuadores piezoeléctricos tienen una buena escalabilidad. La estructura apilada, con múltiples capas, ofrece una fuerza elevada en el rango del centímetro cúbico.
Las bombas piezoeléctricas con accionamiento por membrana pueden mover y dispensar fluidos con precisión y con un bajo consumo de energía, y pueden utilizarse en dispositivos médicos que funcionan con baterías y necesitan un bajo consumo energético.
Otra aplicación es la robótica quirúrgica. Las puntas de los instrumentos mínimamente invasivos requieren un tamaño reducido, alta fuerza y ​​un control preciso de la posición. Los componentes piezoeléctricos ofrecen estas capacidades en un formato compacto, algo imposible con componentes electromagnéticos.

Bestarsensor: Actuadores piezoeléctricos multicapa
Sensor Bestar Diseña y produce actuadores piezoeléctricos cerámicos multicapa utilizando tecnologías de cocción conjunta de vanguardia. Sus componentes presentan diversas características.
1. Alta densidad de fuerza de salida
El proceso de cocción conjunta multicapa empleado por Sensor Bestar Permite ensamblar numerosas capas cerámicas delgadas en un paquete pequeño. Las múltiples capas de esta estructura generan un desplazamiento y una fuerza acumulativos. Esto permite obtener una alta fuerza de bloqueo y un desplazamiento útil, ocupando un volumen reducido.
2. Estabilidad del ciclo a largo plazo
Sensor Bestar Utiliza procedimientos rigurosos de selección de materiales y fabricación para garantizar la composición de la cerámica en toda la pila. Esto le permite mantener un rendimiento de desplazamiento constante durante cientos de millones de ciclos.
3. Fabricación precisa y voltajes de accionamiento más bajos
Cuanto más delgadas sean las capas individuales en una pila, mayor será el número de capas involucradas. Esto resulta en un campo eléctrico menor en cada capa. Un campo eléctrico menor en cada capa significa que se necesita un voltaje aplicado menor para lograr el mismo desplazamiento. Reducir el voltaje de accionamiento simplifica el diseño de la electrónica de control y reduce la tensión de aislamiento en las capas cerámicas, lo que mejora la fiabilidad. Sensor BestarSu capacidad para controlar el grosor de las capas durante la sinterización influye en el rendimiento eléctrico, así como en la vida útil del actuador.

Conclusión
Los actuadores electromagnéticos y los actuadores piezoeléctricos no compiten en el mismo mercado. Sus capacidades son muy diferentes y la clave para utilizarlos reside en tener clara la aplicación.
Si la aplicación requiere un recorrido largo, electrónica de control de bajo voltaje y fácil implementación, y el costo es un factor crítico, los actuadores electromagnéticos siguen siendo la mejor opción. Son ideales para automatización general, movimiento lineal, posicionamiento con precisión milimétrica y mucho más.
Si la aplicación exige una precisión de posicionamiento a escala submicrométrica, funcionamiento a alta frecuencia, baja disipación de calor y bajo consumo de energía estática, o funcionamiento en campos magnéticos intensos, el actuador piezoeléctrico multicapa es superior a los dispositivos electromagnéticos.
Las tendencias en la fabricación de precisión determinan las condiciones de funcionamiento que favorecen el uso de la actuación piezoeléctrica. La microtecnología, los ciclos de producción más cortos, las tolerancias más estrictas y la eficiencia energética son características comunes a todas las industrias. Sensor BestarLos componentes piezoeléctricos multicapa de están preparados para dar respuesta a los desafíos que enfrentan los ingenieros, ofreciendo las especificaciones técnicas y la precisión de fabricación que exigen las aplicaciones de precisión.