Comparación de eficiencia de motores piezoeléctricos KNL-NTS y PZT a través del método de los elementos finitos

Abstract

Las restricciones en el uso del plomo en procesos industriales, especialmente en materiales para electrónica está impulsando el desarrollo de nuevos materiales libres de plomo. Las cerámicas de niobiato de sodio y potasio KNN han emergido como un candidato prometedor para sustituir al zirconato titanato de plomo PZT, el material más comúnmente empleado en la fabricación de actuadores, transductores, sensores y motores piezoeléctricos. En este trabajo, se desarrolló un modelo numérico de un motor lineal piezoeléctrico utilizando el método de los elementos finitos, con el objetivo de comparar el rendimiento de las cerámicas KNN y PZT. Se determinaron las frecuencias y modos de vibración que generan las mayores deformaciones en cada material. Los resultados de las simulaciones revelaron que la cerámica PZT presenta una deformación 20 veces mayor en comparación con la KNN. Esto sugiere que la cerámica KNN requiere de aditivos endurecedores para optimizar los desplazamientos en motores piezoeléctricos libres de plomo.

The restriction on the use of lead in electronic components has prompted research into new piezoelectric materials in search of alternatives to traditional lead-based materials. Potassium sodium niobate (KNN) ceramics have emerged as a promising candidate to replace lead zirconate titanate (PZT), the most commonly used material in the manufacture of piezoelectric actuators, transducers, sensors and motors. In this work, a numerical model of a linear piezoelectric motor was developed using the finite element method to compare the performance of KNN and PZT ceramics. The frequencies and vibration modes that generate the largest deformations in each material were determined. The simulation results revealed that PZT ceramic exhibits 20 times greater deformation compared to KNN. This suggests that KNN ceramic requires hardening additives to optimize displacements in lead-free piezoelectric motors.