Tecnologia de pré-compressão de piezocerâmicas

Pré-compressão é a pressão estática média aplicada sobre as cerâmicas piezoelétricas pelas massas metálicas do transdutor em função do aperto do parafuso. A pré-compressão tem o objetivo de maximizar simultaneamente a potência de operação e a área efetiva de contato entre os elementos, além de evitar deslocamentos durante a vibração. Para transdutores ultrassônicos e conversores típicos, nos quais as forças de cisalhamento entre as cerâmicas e as massas metálicas são desprezíveis, a pré-compressão coincide com a pré-tensão induzida nas cerâmicas.

Tabela 1 - Pré-compressão ótima típica (±14 %).
MaterialPré-compressão
PZT-845 MPa
PZT-435 MPa

A pré-compressão ótima depende essencialmente do limite de compressão do material piezoelétrico e de como varia a pressão sobre as cerâmicas (usualmente é máxima próximo ao parafuso e mínima na borda); diferentemente do torque de aperto ótimo que varia com a área das cerâmicas, as dimensões do parafuso e os coeficientes de atritos. Os valores típicos de pré-compressão são de 45 MPa para PZT-8 e 35 MPa para a PZT-4, como mostrado na Tabela 1 acima.


A pré-compressão e o torque de aperto são proporcionais, entretanto a proporcionalidade varia muito com o acabamento, a limpeza e a lubrificação.

Pré-compressão é um fator chave para a vida útil, potência máxima de operação e eficiência de transdutores. Além disso, o excesso de pré-compressão muda as propriedades da cerâmica e pode esmagá-la, enquanto a falta de pré-compressão causa deslocamentos laterais nas cerâmicas em alta potência, causando trincas, arcos elétricos e curto-circuito.

Controle e aplicação da pré-compressão ótima

O PiezoClamping® emprega uma tecnologia inovadora desenvolvida pela ATCP na qual a pré-compressão é medida com acurácia e em tempo real durante o aperto do parafuso do transdutor ou conversor.

Até então, o controle da pré-compressão era limitado à tentativa de padronização pelo torque ou pelo armazenamento da carga elétrica gerada pelas cerâmicas piezoelétricas durante o aperto do parafuso, sem a devida preocupação pelo valor absoluto efetivamente aplicado em unidade de pressão (MPa ou PSI).

Torque não é o mesmo que pré-compressão. O torque é o produto da força (F) pela distância (d), e pré-compressão é a tensão (T) induzida no parafuso dividida pela área da cerâmica (S).

O controle da pré-compressão pelo controle do torque é prático. Contudo, é indireto e de baixa acurácia visto que a correlação com a pré-compressão depende de vários fatores e varia muito com o coeficiente de atrito dos materiais e a lubrificação. Adicionalmente, quando o parafuso engasta, pode-se ter a indicação de uma pré-compressão menor do que o esperado, mesmo que o torque alvo tenha sido atingido.

Aplicação da pré-compressão ótima utilizando o PiezoClamping®
Montagem de conversor com controle de pré-compressão empregando o PiezoClamping®

Conecte o PiezoClamping® ao conversor com o parafuso solto, configure os parâmetros e aplique o aperto até que a pré-compressão seja atingida como mostrado na figura acima. O aperto pode ser aplicado lentamente e com pausas sem afetar o resultado. Para montar o transdutor, certifique-se que as interfaces, a rosca do parafuso e massa frontal estejam limpas, secas e sem lubrificação (apenas o assento do parafuso pode ser lubrificado para reduzir o torque necessário para se atingir a pré-compressão desejada). O PiezoClamping® deve ser configurado com a pré-compressão desejada e a velocidade do aperto, bem como o número de cerâmicas e características específicas das cerâmicas utilizadas.

Para proteger o parafuso caso ocorra engaste devido à danos na rosca ou contaminação por epóxi, utilize um torquímetro de estálo ajustado para 120% do torque típico necessário para se atingir a pré-compressão desejada.

O PiezoClamping®® também é capaz de medir a pré-compressão que foi aplicada a um transdutor ou a pré-compressão retida após o processo de acomodação, basta desapertá-lo com o PiezoClamping® conectado e devidamente configurado.

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