Mit kleinen Schritten zum Erfolg

Karl Spanner – Piezogetriebene Antriebe sind eine Technologie der Zukunft. Der Miteigentümer der Physik Instrumente GmbH in Karlsruhe ist seit mehr als 30 Jahren immer wieder seiner Zeit voraus.

12. August 2008

»Manchmal ist die Zeit einfach noch nicht reif für eine Idee«, sagt Dr. Karl Spanner und seufzt dabei ein wenig. Der Geschäftsführer der Physik Instrumente GmbH in Karlsruhe weiß, wovon er spricht: Der 61-jährige Physiker musste rund 20 Jahre warten, bis er mit seinem Unternehmen aus kleinsten Anfängen kommend den Durchbruch erleben konnte. Heute leitet er jedoch den inzwischen weltweit führenden Hersteller von Präzisions-Positioniertechnik im Nanometer- und Submikrometerbereich und beschäftigt mehr als 450 Mitarbeiter weltweit.

Schwieriger Start

Am Anfang seiner Karriere stand Spanner allerdings vor großen Hindernissen: Im Januar 1977 bewarb sich der damals frisch promovierte Absolvent der TU München bei einem kleinen Unternehmen namens Physik Instrumente (PI) in München, das seit 1969 unter anderem stabile Aufbauten, Halterungen und Justiereinheiten für Laser herstellte. Neben dem Firmengründer arbeiteten dort lediglich eine Sekretärin und einige freie Mitarbeiter. Zwar hätten ihm alle Freunde abgeraten, eine derart unsichere Stelle anzunehmen, erzählt Spanner – schließlich hätte sein Doktorvater ihn statt dessen am Max-Planck-Institut unterbringen können – aber der junge Naturwissenschaftler wollte es wissen: »Ich habe gedacht, ich versuch es einfach mal.«

Schon kurze Zeit später erwies sich die Skepsis der Bekannten als berechtigt: Noch vor Spanners erstem Arbeitstag erlitt der Firmeninhaber beim Tennisspiel einen Herzinfarkt und starb – und wenig später kündigte dessen Erbin alle Arbeitsverträge sowie den Mietvertrag, weil sie das Unternehmen verkaufen wollte. Statt neue Produkte zu entwickeln, stand Spanner also vor der Aufgabe, sich erneut um seine berufliche Zukunft zu kümmern. Bei einem Besuch einer Messe für Lasertechnik 1977 traf er jedoch auf Heinz G. Lossau, Inhaber des Messtechnikherstellers Polytec aus Waldbronn bei Karlsruhe, der vorschlug, gemeinsam das Unternehmen zu kaufen. Als dann noch ein langjähriger Lieferant des Unternehmens mitmachen wollte, wechselte das Feinmechanikunternehmen im August 1977 schließlich die Besitzer.

Da die Firmenräume in München nicht mehr zur Verfügung standen, fuhren die neuen Eigentümer also das gesamte Inventar mit zwei kleinen LKWs nach Waldbronn ins Gebäude von Polytec und starteten dort den Geschäftsbetrieb. Das Betriebsvermögen bestand lediglich aus zwei Schreibtischen und einigen Demogeräten. Dazu kamen nur noch die Dokumentationen sowie Kataloge, Werbematerial und ein Teppichboden für den Messestand.

Zu fein für Autobauer

Die Produkte waren zunächst hauptsächlich optische Bänke und Zubehör, erzählt Spanner. Doch schon von Anfang an kamen dazu auch erste piezomechanische Produkte.

Typische Kunden waren zunächst Wissenschaftler und Forschungsinstitute, die sich mit Lasern und Interferometrie beschäftigten. Enttäuschend verliefen dagegen erste Versuche, auch in der Industrie Abnehmer für seine Präzisions-Stelltechnik zu finden, erinnert sich der Geschäftsführer an die Vorführung eines Piezo-Aktors mit einem Gesamthub von 20 Mikrometer beim Autohersteller Daimler-Benz: »Die haben dort alle in Millimeter gerechnet; für die waren das zwei Hundertstel, und das ist im wesentlichen die Toleranz, mit der sie fertigen. Etwas, das noch genauer ist, konnten sie nicht brauchen.«

Doch trotz solcher Rückschläge blieb Spanner optimistisch: »Unser großer Vorteil war, dass wir uns damals in die richtige Richtung konzentriert haben, und das waren eben nicht die optischen Bänke, sondern der Präzisionsbereich.« Nur wenige konnten damals ahnen, welche Bedeutung die nanometergenaue Positioniertechnik später für ganze Industriezweige haben sollte, wie etwa die Halbleitertechnik, die Biotechnik und selbst die Werkzeugmaschinenindustrie.

Nach und nach stieg jedoch der Umsatz des kleinen Unternehmens: Größere Stückzahlen der Piezo-Aktoren nutzte zum Beispiel die Druckindustrie für die Steuerung der Kippspiegel zur Korrektur des Moiré-Effekts. Auch in astronomischen Spiegelteleskopen kam die Piezotechnik recht früh zum Einsatz, um die Turbulenzen der Atmosphäre zu korrigieren. Maßgeblich für die Entwicklung des Unternehmens war zudem der rasante Fortschritt in der Computertechnik seit den 80er-Jahren: Die Strukturen und Bauteile wurden immer kleiner, bis irgendwann die Genauigkeit einer Spindel zur Bewegung nicht mehr ausreichte. »Und da waren wir natürlich genau richtig «, freut sich Spanner. Heute gibt es speziell in der Halbleiterindustrie ganze Bereiche, die ohne diese Techniken nicht mehr auskommen.

Wahrscheinlich ist es gerade dieses Gespür für die richtige Idee zum passenden Zeitpunkt, die den Erfolg des Unternehmens ausmacht. Bei wichtigen Technologiesprüngen konnte PI deshalb immer wieder wohlvorbereitete Produkte aus der Schublade anbieten und so die neuen Märkte von Anfang an beliefern, erzählt Spanner und ergänzt augenzwinkernd: »Und dann erzielt man auch einen guten Preis.«

Später Aufschwung

Auf diese Weise profitierte PI auch vom Boom in der Glasfasertechnik in der Telekommunikationsbranche Ende der 90er-Jahre: Die Justierung der Glasfasern zur Ankopplung der Laser erforderte eine hochgenaue Positionierung ebenso wie die Herstellung von optischen Schalter und Filtern. Hier konnte PI ohne lange Entwicklungszeit schnell rund 100 geeignete Hexapoden liefern, mit dem sich leichte Teile im Mikrometer- und Sub-Mikrometerbereich positionieren lassen.

Besonders faszinierend sind für Spanner die permanenten Innovationen, die die Technologie ermöglicht: »Man ist immer in vorderster Front der Entwicklung.« Der Physiker ist deshalb heute heilfroh, dass er seinerzeit nicht ans Max-Planck-Institut gegangen ist, und stellt fest: »Die messen dort noch immer die gleichen Konstanten, nur um zwei Größenordnungen genauer.«

PI dagegen begann schon Ende der 70er-Jahre mit der Entwicklung von Piezo-Motoren – einer Technologie, die damals im Westen nahezu unbekannt war. Das Wissen darüber brachte seinerzeit ein neuer Mitarbeiter ins Unternehmen, der aus der damaligen DDR geflohen war und dort Ultraschallmotoren gebaut hatte, mit denen sich hohe Geschwindigkeiten und vergleichsweise lange Verfahrstrecken realisieren lassen. Weitere Expertise brachte dem Unternehmen etwa zehn Jahre später ein international führender Spezialist auf dem Gebiet der Ultraschallmotoren, der zuvor in Kiew in der Ukraine gearbeitet hatte und damals einen Arbeitsplatz im Westen suchte. Erste Anfragen nach den dynamischen und hochgenauen Antrieben kamen Anfang der 80er- Jahre aus den USA, wo sie in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen sollten. Damals allerdings schreckte das immer noch kleine Unternehmen aus Deutschland davor zurück, die Motoren für einen Dauereinsatz an 24 Stunden am Tag und sieben Tagen pro Woche freizugeben. Ein ständiges Problem war allerdings die Versorgung mit der geeigneten Piezokeramik, die das Unternehmen bei verschiedenen Lieferanten kaufte. Die Folge war, dass die gelieferten Werkstoffe oft nicht den angegebenen Spezifikationen entsprachen, wonach bei einer bestimmten Spannung eine definierte Längenänderung entsteht. Für Spanner war deshalb schnell klar: »Wir mussten unsere eigene Keramik entwickeln.«

Trotz vieler Versuche ließ sich dieser Plan allerdings jahrelang nicht in die Tat umsetzen, erzählt Spanner: »Wir haben etliche Untersuchungen gemacht hier im Westen, aber wir sind nie richtig vorangekommen.«

Neue Möglichkeiten eröffneten sich erst 1989 mit dem Ende der DDR, schließlich lag das Zentrum der Piezokeramikherstellung vor allem in Thüringen. Langwierige Übernahmeverhandlungen mit mehreren Unternehmen verliefen jedoch sehr chaotisch und blieben am Ende erfolglos. Statt ein vorhandenes Unternehmen zu übernehmen, mussten die Investoren aus Karlsruhe also völlig neu anfangen: Im Jahr 1992 erwarben sie deshalb einige alte Maschinen ehemaliger Keramikhersteller und errichteten ein Gebäude mit 2.000 Quadratmeter Nutzfläche in der Gemeinde Lederhose im thüringischen Landkreis Greiz. Dazu übernahmen sie sechs der besten Keramikspezialisten aus der Gegend um Gera und Hermsdorf und entwickeln dort seither Piezokeramiken für die eigene Produktion. Mittlerweile beschäftigt die PI Ceramic GmbH in Lederhose 150 Mitarbeiter auf mehr als 6.000 Quadratmeter Nutzfläche, berichtet Spanner und ergänzt stolz: »Damit haben wir die gesamte Prozesskette im Haus, und das macht uns stark.«

Viele Anwendungen

Seither entwickeln die Spezialisten in Karlsruhe immer neue Anwendungsfelder für piezogetriebene Antriebe. Im Einsatz sind sie derzeit vor allem in der Halbleiterindustrie, in der optischen Messtechnik und in der Mikroskopie. Ein breites Anwendungsfeld bietet auch die Präzisionsmechanik, etwa bei der Fertigung von Kolben für Automotoren an einer Dreh maschine: Hier ermöglicht die flexible Positionierung des Drehmeißels mit einem Piezoaktor die präzise Formgebung der Kolben, die nicht exakt zylinderförmig sind, sondern eher einer Tonne mit elliptischem Querschnitt ähneln, um Unterschiede in der wärmebedingten Ausdehnung innerhalb des Kolbens zu kompensieren.

Ein kleines Problem sieht Spanner heute lediglich im Image seines Unternehmens: »Ich glaube, wir gelten immer noch ein bisschen als gut, aber teuer, und das schreckt manche ab.« Für die Zukunft setzt der Physiker deshalb vermehrt auf Anwendungen außerhalb des Nano-Präzisionsbereichs. Stattdessen sieht er sein Unternehmen verstärkt auch als Zulieferer von Antriebstechnik für zahlreiche Branchen. Besonders viel erwartet Spanner dabei vor allem von den kompakten Piezo-Linearmotoren, die sich verhältnismäßig kostengünstig fertigen lassen. Zwar liegt deren Genauigkeit meist nur im Bereich von Mikrometern, dafür ermöglichen sie sehr schnelle Bewegungen und sind unempfindlich gegenüber Magnetfeldern. Zudem sind solche Motoren wartungsfrei und im stromlosen Zustand selbsthemmend. Damit ermöglichen sie zum Beispiel den Bau von Sicherheits- und Schlosssystemen, die sich auch mit starken Magneten nicht entriegeln lassen. Mögliche Anwendungsgebiete finden sich auch in der Medizin- oder der Automatisierungstechnik, etwa als Antrieb für Greifer. Selbst in Massenprodukten wie Handykameras könnten die ultrakompakten Antriebe künftig die Linsen für Autofocus und Zoom bewegen, prophezeit Spanner und ist sich sicher: »Wo immer ein Piezoantrieb Sinn macht, wird er eines Tages eingesetzt werden.«

Björn Thomsen

Fakten

Dr. Karl Spanner, geboren am 8. Januar 1947 in Mengkofen/Niederbayern ist seit 1. August 1977 Gesellschafter und Geschäftsführer der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG in Karlsruhe.

- Vor seinem Einstieg bei PI am 1. März 1977 als Angestellter promovierte der Physiker an der TU München zum Thema »Ultrakurze molekulare Relaxationsprozesse bei resonanter Anregung«.

Erschienen in Ausgabe: 05/2008