Mikroskopisch genau positionieren

08.10.2015 15:18

Mikroskopisch genau positionieren

Positionierungsaufgaben sind überaus vielfältig. Die IEF-Werner GmbH aus Furtwangen beschäftigt sich schon seit über 30 Jahren mit diesem Thema und hat bereits zahlreiche, serientaugliche Lösungen entwickelt. Doch die größten Herausforderungen entstehen nach wie vor, wenn es heißt: „…aber mikroskopisch genau muss es sein!“.

nanoLINE: raffinierte Antriebstechnologie auf Piezo-Basis

Mikroskopisch genau positionieren

Positionierungsaufgaben sind überaus vielfältig. Die IEF-Werner GmbH aus Furtwangen beschäftigt sich schon seit über Jahren mit diesem Thema und hat bereits zahlreiche, serientaugliche Lösungen entwickelt. Doch die größten Herausforderungen entstehen nach wie vor, wenn es heißt: „…aber mikroskopisch genau muss es sein!“.

Furtwangen, den .. Entscheidend für höchste Präzision im Maschinenbau sind bestimmte Faktoren. Zum einen ist das die Auswahl der richtigen Antriebskomponenten. Zum anderen wird ein breites „Know-how“ in der Fertigung von Präzisionsbauteilen, wie Führungen und Schlitten benötigt. Der jedoch wichtigste Faktor ist, gute Ideen zu haben. Das gilt insbesondere dann, wenn es darum geht, Reibung zu vermeiden. Diese Faktoren vereinigt IEF-Werner in der sogenannten nanoLINE-Technologie. Antriebskonzepte, die darauf basieren, eignen sich für die Montage kleinster Bauteile, bei denen eine hohe Montagepräzision gefordert wird. Sie bestehen im Wesentlichen aus der Kombination zweier Technologien – dem piezokeramischen Aktuator und dem aerostatischen Luftlager. Ein Piezoaktor ist ein Motor mit ungewöhnlichen Eigenschaften hinsichtlich der Positioniergenauigkeit, der Dynamik und der Kraftentwicklung. Bei Luftlagern sind die beiden zueinander bewegten Bauteile durch einen hauchdünnen Luftfilm getrennt. Dadurch erlauben sie eine reibungsfreie Bewegung. Eine weitere Eigenschaft des Luftlagers ist die Vermeidung des Stick-Slip-Effekts (von engl. stick ‚haften‘ und slip ‚gleiten‘). Dieser Haftgleiteffekt bezeichnet das Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Flächen. Das  erschwert die Positionierbarkeit von Antriebskomponenten, vor allem wenn es um Positionieraufgaben im Mikrometerbereich geht.  

Das Ergebnis aus der Kombination der unterschiedlichen Technologien ist ein Produkt, das robust und zuverlässig ist. Es kann wiederholgenau auf 0. Millimeter positionieren. Mit diesen Eigenschaften kann eine nanoLINE-Antriebskomponente durchaus als Standard in der Mikromontagetechnik eingesetzt werden. Die kompakte Bauform ermöglicht Lösungen für sogenannte Desktop-Factorys. Hier muss eine große Anzahl an Produktionsaufgaben auf sehr engem Raum untergebracht werden. Das kann zu einem Nachteil führen. Denn je mehr Komponenten so angeordnet sind, desto eingeschränkter ist auch die Zugänglichkeit. Vor allem, wenn Abdeckungen und Sicherheitsbauteile den Maschinenbediener vor der Mechanik der Maschine schützen müssen. Ein Zugriff hat in den meisten Fällen sogar einen Stillstand der Maschine zur Folge. Spätestens hier kommt ein weiterer Vorteil von Piezoantrieben zum Tragen. Sie sind zwar sehr dynamisch, erzeugen aber nur geringe Kräfte. Maschinen, die so ausgestattet sind, benötigen daher keinerlei Abdeckungen oder kostenintensive Sicherheitsbauteile.  

Sicherheit hat Priorität
Eine häufig eingesetzte Lösung in der Montagetechnik sind sogenannte Pick-&-Place-Systeme. Diese bestehen üblicherweise aus mehreren linearen Achsen, die zusätzlich mit einer Rotationsbewegung kombiniert werden. Bei einem Pick-&-Place-System auf Basis der nanoLINE-Technologie werden alle Achsen von schnellen Piezoaktuatoren angetrieben. Sind sie damit ausgestattet, können sie Bauteile von bis Gramm heben und mit Geschwindigkeiten von bis zu Millimeter in der Sekunde transportieren. Möglich ist eine wiederholbare Treffsicherheit von < 1 µm. Bei konventionellen Pick-&-Place-Systemen – zu denen auch Roboter gezählt werden können –  müssen Geschwindigkeit, Bewegungsradius und Drehmoment ständig überwacht werden, sobald ein Eingriff in den Gefahrenbereich droht. Dies wird in einschlägigen Richtlinien und Normen gefordert, wie in der europäischen Norm ENFunktionale Sicherheit) oder der ENSicherheitsfunktionen elektrischer Antriebssysteme). Nur bei strikter Einhaltung dieser Vorschriften ist es zulässig, dass der Mensch sich in unmittelbarer Nähe eines solchen Systems aufhält. In modernen und flexiblen Produktionsumgebungen müssen Mensch und Maschine jedoch immer häufiger direkt nebeneinander arbeiten. Mithilfe der nanoLINE-Technologie lassen sich Montage- oder Transportvorgänge durchführen, während die Maschinenbediener in unmittelbarer Nähe des Montagesystems arbeiten. Der Mitarbeiter kann sogar jederzeit in den Montage- oder Transportvorgang eingreifen, ohne sich dabei zu verletzten. Sobald beispielsweise ein Greifer festgehalten wird, steht die entsprechende Achse sofort still, bis diese vom Bediener wieder freigegeben wird. Danach kann der zuvor begonnene Montage- oder Transportvorgang zu Ende geführt werden. Denn durch den eingebauten Absolutwertgeber weiß die Achse jederzeit wo sie steht.

Positionieren mit besonderen Anforderungen
Die nanoLINE-Technologie kommt unter anderem auch als Positioniereinheit von Silizium-Wafern zum Einsatz. Ihre Handhabung ist aufgrund großer Fertigungstoleranzen nur schwer automatisierbar. Die Wafer-Positioniereinheit von IEF-Werner ist Teil einer Gesamtanlage und dient für das Handling der Bauteile mit einem Außendurchmesser von Millimetern. Die Abweichung des Außendurchmessers beträgt fertigungsbedingt bis zu 0,2 Millimeter. Ein Roboter legt den Wafer auf die Rotationseinheit. Diese fährt entlang einer Führung nach oben in die Bearbeitungsposition. Dort dreht die Einheit die Komponente mehrmals. Gefordert ist dabei allerhöchste Rundlauf-Genauigkeit. Zu diesem Zweck ist die Rotationseinheit mit einem Luftlager ausgestattet. Fertigungstoleranzen haben somit keinerlei Einfluss mehr auf die Rundlaufqualität. Angetrieben wird die Einheit über einen Piezoaktuator, der außen am Luftlager befestigt ist. Die Berührung erfolgt mit geringer Kraft und an einem winzigen Punkt. Die kleine Kontaktfläche genügt, um die Rotationseinheit in Bewegung zu setzen. Während der Drehung wird der Wafer durch ein hochpräzises Bildverarbeitungssystems vermessen. Danach entnimmt der Roboter das Bauteil.

Mit Piezoaktuatoren lassen sich damit ungewöhnliche Konzepte realisieren. Die größten Vorteile der nanoLINE-Technologie: Für den Menschen sind die kinetischen Energien ungefährlich und es lässt sich eine präzise Positionierbarkeit sicherstellen. Zwar schränken diese Vorteile die Nutzlast oder das zu handhabende Gewicht der Teile ein, trotzdem lassen sich nanoLINE-Antriebskomponenten vielseitig einsetzen – eben wenn es um hohe Präzision und maximale Wiederholgenauigkeit in der Mikroproduktion geht.