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28 Werkund Kunststoffe Elektronik medical Andere PZT-Alternativen wie beispielweise Kalium-Natrium-Niobat KNN schneiden in ihrer Gesamt-Ökobilanz schlechter ab als BNT Denn für die Herstellung von KNN ist Niob erforderlich – ein kritischer Rohstoff mit begrenzter Verfügbarkeit Seine Aufbereitung ist energieintensiv und ökologisch belastend Die für BNT benötigten Elemente sind hingegen besser verfügbar und lassen sich mit deutlich geringerem Energieeinsatz gewinnen In der ökologischen Bilanz schneidet BNT deshalb besser ab Bild 3 – mit reduziertem CO 2 -Fußabdruck und einem niedrigeren regulatorischen Risiko im EU-Kontext Critical Raw Materials CRMs Anpassungen im Produktdesign Eine technische Herausforderung bei der Entwicklung von Sensoren und Wandlern mit bleifreien Materialkomponenten besteht darin dass BNTbasierte Keramiken sich trotz ihrer sehr guten Leistungseigenschaften nicht 1 1 gegen PZT-Keramiken austauschen lassen Entsprechend müssen im Entwicklungsprozess Ressourcen eingeplant werden um das Produktdesign wo nötig anzupassen und die spezifischen Unterschiede auszugleichen Wichtige Einflussgrößen sind dabei ■■ Mögliche Änderungen der Resonanzfrequenz Impedanz und Energieverluste der piezoelektrischen Komponente ■■ Merkmale wie Formfaktor Empfindlichkeit und Stromverbrauch ■■ Die Steuerelektronik muss möglicherweise auf abweichende piezoelek trische Eigenschaften optimiert werden ■■ Software und Algorithmen müssen möglicherweise angepasst werden um die beste Systemleistung zu erzielen Produktentwickler die sich die bleifreie Option für künftige Produktgenerationen offenhalten wollen sollten dies beim Design neuer Plattformen bereits berücksichtigen damit der spätere Umstieg mit einem möglichst geringen Entwicklungsaufwand gelingt Verlässliche Technologie partnerschaften Eine wichtige Entscheidung bei der Definition nachhaltiger Produktstrategien ist die Wahl des richtigen Technologieund Entwicklungspartners Verfügt der Lieferant für piezoelektrische Sensoren und Wandler über eine bleifreie Piezokeramik-Technologie? Kann er die Lieferkette für diese piezoelektrischen Keramiken verlässlich absichern? Um Technologien für die medizinischen Geräte von heute und morgen nachhaltig zu entwickeln sind langfristige Partnerschaften ein nicht zu unterschätzender Faktor Der Umstieg auf bleifreie BNTbasierte Keramiken kann schon heute ein Wettbewerbsvorteil sein Für die Medizinprodukte von morgen steht dieser Umstieg für eine Investition in eine sicherere und umweltverträglichere Zukunft uh Bild 3 Vergleich des Gesamtumweltprofils von bleihaltigen PZT und bleifreien BNT KNN piezoelektrischen Keramiken auf Basis des Eco-Indicators 99 Die bleifreie Alternative Der Keramikhersteller CeramTec aus Plochingen bei Stuttgart zählt zu den führenden Anbietern technischer Hochleistungskeramik und treibt seit über zehn Jahren die Entwicklung alternativer insbesondere bleifreier Piezowerkstoffe voran In internen Versuchsreihen wurden diese Materialien unter anderem in typischen Anwendungen wie der Sensorik zur Strömungsund Blasenerkennung sowie in Ultraschallwandlern getestet und bewertet In ersten Anwendungen haben sich Piezokeramiken auf Basis von Bismut-Natrium-Titanat BNT als vielversprechende Alternative zu PZT erwiesen In Blasenerkennungssystemen war die akustische Signalleistung eines Flüssigkeitssensors mit einer Resonanzfrequenz von 2 MHz zwischen bleihaltigem PZT und bleifreier Piezokeramik vergleichbar Frühere Materialien wiesen eine deutlich geringere Empfindlichkeit und Leistungsunterschiede auf die die Funktionalität beeinträchtigen konnten Mit einem Standard-40-kHz-Langevin-Wandler wurde gezeigt dass BNT-BT in Hochleistungsultraschallwandlern eine höhere Ausgangsleistung liefert während bei äquivalenten Betriebsbedingungen niedrigere Temperaturen erreicht werden Trotz der vielversprechenden Ergebnisse ist die Eignung stark vom Einsatzkontext abhängig Unter bestimmten Betriebsbedingungen – etwa bei Anregung im Dickenmodus – zeigen die bleifreien Piezokeramiken vergleichbare Leistungsmerkmale Ob sie auch in puncto Lebensdauer und Zuverlässigkeit mit PZT mithalten können sollen weiterführende Tests zeigen Bild 2 Die Gesamt-Ökobilanz entscheidet Bei der Bewertung eines neuen Materials sollte nicht allein ausschlaggebend sein dass es eine unerwünschte Eigenschaft vermeidet sondern dass seine Gesamt-Ökobilanz vorteilhaft ist BNT schneidet im Eco-Indicator 99 klar besser ab als PZT Der Eco-Indicator 99 bewertet die Umweltwirkung eines Produktes vor allem seine schädlichen Einflüsse auf die menschliche Gesundheit den Verbrauch von Ressourcen und die Effekte auf das Gesamt-Ökosystem über den gesamten Produktlebenszyklus Die Methodik wurde im Auftrag des niederländischen Ministeriums für Wohnungsbau Raumordnung und Umwelt entwickelt Bild 2 Akustische Leistung von Flüssigkeitsströmungssensoren Vergleich der Verwendung von CeramTec PZT bleifreien piezoelektrischen Materialien