Atuadores piezoelétricos multicamadas versus atuadores eletromagnéticos: uma comparação técnica e análise de aplicações.

1. Introdução
2. Como funciona cada tecnologia
3. Comparação Técnica Lado a Lado
4. Casos de uso e tomada de decisão
5. Bestarsensor: Atuadores piezoelétricos multicamadas
6. Conclusão

Introdução
Na automação industrial atual, os atuadores são mais necessários do que nunca. Sistemas de controle de movimento menores, mais rápidos e mais precisos são utilizados na fabricação de semicondutores, em robôs médicos e em outros sistemas ópticos, em comparação com os utilizados há dez anos.
Existem certas exigências que os engenheiros impõem aos atuadores atualmente. Primeiramente, eles precisam ter dimensões físicas reduzidas. Além disso, precisam de tempos de resposta rápidos. Para algumas aplicações, precisam funcionar em locais onde campos magnéticos não podem ser utilizados. Essa exigência leva muitas aplicações além da capacidade dos atuadores eletromagnéticos convencionais.
As duas tecnologias preferenciais são os atuadores eletromagnéticos e os atuadores piezoelétricos multicamadas. São tecnologias maduras, estáveis ​​e facilmente disponíveis. No entanto, a física por trás dessas tecnologias é completamente diferente e apresenta características semelhantes, porém criticamente distintas, nas áreas de maior importância para aplicações de controle de movimento de precisão.
Sensor Bestar desenhos Cerâmicas piezoelétricas multicamadas Para atuação de precisão. Este blog tem como objetivo fornecer uma comparação técnica objetiva das tecnologias para auxiliar os engenheiros na escolha da tecnologia mais adequada.

Como funciona cada tecnologia
1. Atuadores Eletromagnéticos
Os atuadores eletromagnéticos produzem energia mecânica a partir de energia elétrica por meio do magnetismo. Uma bobina percorrida por corrente elétrica gera um campo magnético. Esse campo, por sua vez, atua sobre um ímã permanente ou um elemento ferromagnético, produzindo uma força. Variando a corrente, é possível controlar a força e a posição.
A força de Lorentz é a base para motores, solenoides, atuadores de bobina móvel e motores lineares. A tecnologia é madura, fácil de controlar com qualquer circuito eletrônico de acionamento e pode proporcionar grandes cursos, mesmo em longas distâncias.
Mecanicamente, essa tecnologia geralmente consiste em uma bobina, um ímã em relação ao qual ela se move e algum tipo de sistema de rolamento ou guia. Haverá um espaço entre as partes móveis e fixas. Algum grau de atrito, desgaste e histerese magnética deve ser esperado.
2. Atuadores piezoelétricos multicamadas
Os atuadores piezoelétricos baseiam-se num conceito muito diferente. Alguns tipos de cerâmica deformam-se quando uma tensão é aplicada. Isto é conhecido como efeito piezoelétrico inverso. Se aplicarmos uma tensão positiva, por exemplo, o material irá expandir-se ligeiramente. Se aplicarmos uma tensão negativa, ele irá contrair-se.
O deslocamento por camada única de cerâmica é muito pequeno, da ordem de nanômetros por volt. Mas, ao construir o dispositivo com múltiplas camadas, uma pilha de muitas camadas finas de cerâmica, conectadas em série eletricamente e em paralelo mecanicamente, resulta na soma de todos os valores de deflexão. Isso resulta em uma pilha sólida de cerâmica que produz um deslocamento útil para potenciais de acionamento aceitáveis.
O dispositivo não possui bobinas, ímãs ou partes móveis. A pilha cerâmica é um dispositivo de estado sólido. Ela se expande e se contrai em estado sólido, sem atrito na interface, folgas ou desgaste.

Comparação técnica lado a lado
A tabela abaixo resume as principais diferenças de desempenho entre as duas tecnologias nos parâmetros mais importantes em aplicações de precisão.

Casos de uso e tomada de decisão
1. Cabeças de Impressão a Jato de Tinta: Válvulas de Precisão de Alta Frequência
As cabeças de impressão a jato de tinta precisam ejetar gotas em taxas de repetição muito altas (até dezenas de milhares de gotas por segundo). As gotas devem ser ejetadas de forma consistente e altamente controlada. Não há garantia de que as válvulas eletromagnéticas operem nessas taxas. A indutância da bobina limita a velocidade — a corrente pode ser aplicada e removida, limitando assim a velocidade de atuação.
Os atuadores piezoelétricos não têm essa limitação. Eles podem operar em frequências de dezenas de quilohertz em situações reais e em frequências ainda maiores em produtos especializados. É por isso que cabeçotes de impressão a jato de tinta industriais, controles de dispensação ultrarrápidos e outras aplicações de controle de fluidos que exigem volumes dosados ​​com precisão e em alta velocidade agora utilizam a tecnologia piezoelétrica.
2. Ajuste subnanométrico em óptica e litografia
Os sistemas de litografia em fábricas de semicondutores exigem o posicionamento de elementos ópticos com precisão subnanométrica. Os sistemas de alinhamento óptico precisam ajustar os espelhos com uma precisão melhor que o comprimento de onda da luz. Isso não pode ser alcançado com um sistema de atuador eletromagnético sem uma plataforma de alta precisão.
Os atuadores piezoelétricos são a solução. Eles apresentam uma relação linear entre a tensão aplicada e o deslocamento, sem folga e sem aderência estática. Sua resolução de posição é determinada apenas pelas capacidades da eletrônica de acionamento. Sistemas de malha fechada que permitem resolução subnanométrica estão disponíveis em um encapsulamento miniaturizado com amplificadores de precisão.
Por essa razão, os estágios piezoelétricos são essenciais para ferramentas de inspeção de semicondutores, óptica adaptativa, alinhamento de fibras ópticas e microscópios confocais.
3. Microbomba para aplicações médicas e biofarmacêuticas
A miniaturização na tecnologia médica continua a aumentar. Mecanismos atuadores menores, mais leves e eficientes são necessários para a administração de medicamentos implantáveis, dispositivos de diagnóstico no ponto de atendimento e pontas de instrumentos cirúrgicos.
Os atuadores eletromagnéticos não são escaláveis. A força que geram diminui rapidamente à medida que o tamanho diminui.
Os atuadores piezoelétricos apresentam boa escalabilidade. A estrutura, com múltiplas camadas, possui alta força na faixa de centímetros cúbicos.
Bombas piezoelétricas com atuação por membrana podem mover e dispensar fluidos com precisão e baixo consumo de energia, podendo ser utilizadas em dispositivos médicos alimentados por bateria que necessitam de baixo consumo de energia.
Outra aplicação é a robótica cirúrgica. As pontas de instrumentos minimamente invasivos exigem tamanho reduzido, alta força e controle preciso de posicionamento. Os componentes piezoelétricos oferecem essas capacidades em um formato compacto, algo impossível com componentes operados eletromagneticamente.

Bestarsensor: Atuadores piezoelétricos multicamadas
Sensor Bestar Projeta e produz atuadores piezoelétricos cerâmicos multicamadas usando tecnologias de co-queima de ponta. Seus componentes apresentam diversas características.
1. Alta densidade de força de saída
O processo de co-queima multicamadas empregado por Sensor Bestar Permite a montagem de muitas camadas finas de cerâmica em um pequeno pacote. As múltiplas camadas nessa pilha produzem deslocamento e força cumulativos. Isso possibilita uma alta força de bloqueio e um deslocamento útil, ocupando um volume reduzido.
2. Estabilidade do ciclo a longo prazo
Sensor Bestar Utiliza procedimentos rigorosos de seleção e fabricação de materiais para garantir a composição da cerâmica em toda a estrutura. Isso permite manter a mesma taxa de deslocamento ao longo de centenas de milhões de ciclos.
3. Fabricação precisa e tensões de acionamento mais baixas
Quanto mais finas as camadas individuais em uma pilha, mais camadas estão envolvidas. Isso resulta em um campo elétrico menor em cada camada. Um campo elétrico menor em cada camada significa que uma tensão aplicada menor é necessária para atingir o mesmo deslocamento. Reduzir a tensão de acionamento facilita o projeto da eletrônica de acionamento e reduz a tensão de isolamento nas camadas cerâmicas, o que aumenta a confiabilidade. Sensor BestarA capacidade de controlar a espessura das camadas durante a sinterização impacta o desempenho elétrico, bem como a vida útil do atuador.

Conclusão
Os atuadores eletromagnéticos e os atuadores piezoelétricos não competem pelo mesmo mercado. Suas capacidades são muito diferentes e a chave para utilizá-los é ter clareza sobre a aplicação.
Se a aplicação exigir curso longo, baixa tensão, eletrônica de acionamento fácil de implementar e o custo for um fator crítico, os atuadores eletromagnéticos ainda são a opção ideal. Eles são perfeitos para automação em geral, movimento linear, precisão de posicionamento em nível milimétrico e muito mais.
Se a aplicação exigir precisão de posicionamento em escala submicrométrica, operação em alta frequência, baixa dissipação de calor e consumo de energia estática, ou operação em altos campos magnéticos, o atuador piezoelétrico multicamadas é superior aos dispositivos eletromagnéticos.
As tendências na manufatura de precisão impulsionam as condições operacionais que favorecem o uso de atuadores piezoelétricos. Microtecnologia, ciclos de produção mais curtos, tolerâncias mais rigorosas e eficiência energética são características comuns a todos os setores industriais. Sensor BestarOs componentes piezoelétricos multicamadas da [marca] estão prontos para atender aos desafios enfrentados pelos engenheiros, oferecendo as especificações técnicas e a precisão de fabricação exigidas por aplicações de alta precisão.