Montage im Mikro-Massstab

Schwerpunkt

Greifsysteme – Die automatisierte Montage von optischen Miniaturkomponenten stellt höchste Ansprüche an die Handhabungssysteme. Der Mikromontage-Baukasten von Schunk gewährleistet dabei eine Positioniergenauigkeit im Mikrometer-Maßstab.

10. Dezember 2013

Ein wichtiger Trend bei Geräten und Anlagen in der Mikrooptik, Feinwerktechnik, Mikroelektronik und Medizintechnik ist die zunehmende Integration vieler Funktionen auf engstem Raum. Hightech-Unternehmen können von diesem Trend zur Funktionsintegration jedoch nur dann profitieren, wenn sie Wege finden, diese anspruchsvollen Lösungen auch wirtschaftlich, also möglichst automatisiert zu produzieren.

Das Bundesforschungsministerium hat deshalb im Rahmen des internationalen Mikro- und Nanotechnik-Programms MNT-ERA.NET das Forschungsprojekt SCALAB (Scalable Automation for Emerging Lab Production) gefördert, das der Frage nachging, wie sich die Präzisionsmontage miniaturisierter Produkte skalierbar automatisieren lässt. Zentrales Anliegen der Projektpartner aus Forschung und Industrie war dabei die Entwicklung eines hochpräzisen Montagesystems, mit dem sich technologisch anspruchsvolle Prototypen und Kleinserien ebenso montieren lassen wie größere Stückzahlen.

Höchste Präzision

Als Beispiel diente die Montage von optisch gepumpten Halbleiterlasersystemen (OPSL) bei dem Lasertechnikspezialisten Coherent GmbH in Lübeck. Die entscheidende Herausforderung dabei war die präzise, automatisierte Montage der winzigen optischen Komponenten. So liegt die Winkeltoleranz der im sogenannten Resonator verbauten Spiegel bei lediglich 20 Mikro-Radiant (µrad). Erschwerend kommt dabei hinzu, dass die beschichteten Flächen der stehend auf Gel-Paks angelieferten Bauteile nicht berührt werden dürfen und dass zudem während des Montagevorgangs für die aktive Justage der Teile ein freier Strahlengang gewährleistet sein muss.

Herzstück des Mikromontagesystems ist der Miniatur-Gelenkarm MGA des Spann- und Greiftechnikspezialisten Schunk aus Lauffen am Neckar in Kombination mit dem Feinpositioniersystem Commander6 des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen. Der Miniaturgelenkarm MGA besteht aus einer Hubachse mit einer Wiederholgenauigkeit von besser als 0,005 Millimeter, die über einen EC-Motor und eine Präzisionsspindel linear bewegt wird, sowie aus zwei Gelenkachsen und einer Drehachse mit EC-Motoren und Harmonic-Drive-Getriebe, die eine Wiederholgenauigkeit von 0,025 Millimeter erreichen. Mit Hilfe einer lasergestützten Justage und entsprechender Korrekturwerte in der Steuerung wurde der Gelenkarm bei dem Projekt so kalibriert, dass eine Verkippung der einzelnen Achsen von weniger als 0,03 Grad gewährleistet ist. Dies ermöglicht es, die Miniaturbauteile ohne den Einsatz zusätzlicher Sensoren präzise von den Gel-Paks aufzunehmen.

Individuelle Handling-Lösung

Im Gegensatz zu den üblichen Standard-Scara-Kinematiken sitzt die Vertikalachse bei dem Mikromontagesystem MGA an der Roboterbasis. Die Anzahl der Achsen und die Länge der Verbindungselemente können deshalb anwendungsspezifisch definiert und konfiguriert werden. Am Ende des Armes ist auf der Ober- und Unterseite jeweils Platz für ein Wechselsystem. Die vergleichsweise geringen Massen sowie die begrenzte Leistung der elektrischen Kleinantriebe bieten dabei optimale Voraussetzungen für eine unmittelbare Kooperation von Mensch und Maschine. Zudem sind teilautomatisierte Montageprozesse deshalb auch ohne Sicherheitsumhausung möglich. Die geringen Störkonturen des MGA erlauben einen zuverlässigen Einsatz auch in beengten Platzverhältnissen.

Standardisierte Schnittstellen

Über standardisierte Schnittstellen, in die bis zu zehn elektrische oder pneumatische Durchführungen integriert werden können, lassen sich unterschiedlichste Effektoren mit dem Gelenkarm verbinden, beispielsweise das Feinpositioniersystem Commander6 des Fraunhofer IPT, das über gestapelt angeordnete Piezo-Schrittmotoren eine hochpräzise Positionierung der Bauteile in sechs Dimensionen mit einer Wiederholgenauigkeit von weniger als 0,3 Mikrometer sowie eine Bewegungsauflösung von unter 5 µrad ermöglicht. Da der Commander6 auch kleinste Schritte verlustfrei und ohne Umkehrspiel oder Hysterese auf die eingesetzten Miniatur-Wechsel-Parallelgreifer MWPG 20 von Schunk überträgt, ist damit eine prozessstabile Bauteilpositionierung im Submikrometer-Bereich möglich.

Der MWPG 20ist der weltweit erste schnell wechselbare Miniatur-Parallelgreifer mit genormter ISO-Schnittstelle. Der Greifer mit einem Durchmesser von 20 Millimeter besteht aus rostfreiem Edelstahl und wiegt nur 26 Gramm. Die stufenlose Abfrage der Greiferfinger erfolgt über einen optischen Sensor, der direkt im Wechselkopf sitzt. Auf diese Weise entfällt die Durchführung des Signals vom Greifer zum Kopf. Ein in die Greiferfinger integrierter Vakuumkanal führt das Vakuum durch die Schnittstelle bis zur Grundbacke und ermöglicht so ein kombiniertes mechanisches und vakuumbasiertes Greifen.

Dies minimiert die erforderliche Greiffläche in der Anwendung und gewährleistet eine schonende Handhabung sowie eine exakte Positionierung der sensiblen Bauteile. Zudem ermöglicht das standardisierte Schunk-Miniatur-Wechselsystem MWS einen schlauchlosen Greiferwechsel. Ergänzt wird das System durch ein vom Lehrstuhl für Mensch-Maschine-Interaktion der RWTH Aachen entwickeltes Softwaretool, mit dem einzelne Komponenten gewechselt werden können, ohne dass das System neu programmiert werden muss.

Ein charakteristisches Merkmal des Mikromontageprogramms von Schunk ist die zentrale Mittenöffnung sämtlicher Module, durch die der Montageort unmittelbar beobachtet werden kann.

Da auch der Mikromanipulator des Fraunhofer IPT einen solchen zentrischen Blick ermöglicht, können die Linsen mit Hilfe einer Mittenkamera zunächst auf Referenzmarken vorpositioniert werden, bevor der Commander 6 dann die aktive Feinjustage übernimmt. Aufgrund des hohen Standardisierungsgrades lässt sich die im Rahmen des SCALAB-Projekts erarbeitete Anwendung auf unterschiedlichste Laborproduktionsprozesse der optischen Industrie sowie der Mikrosystem- und Medizintechnik übertragen.bt z

-Der Miniatur-Wechsel-Parallelgreifer MWPG 20 des Greifsystemespezialisten Schunk besitzt einem Außendurchmesser von 20 Millimetern.

-Der Antrieb der Backen über zwei horizontale Kolbenräume mit mechanischer Synchronisation über ein spezielles Ringsystem verhindert Reibungsverluste durch eine mechanische Umlenkung.

-Die genormte DIN-Schnittstelle erleichtert den Greiferwechsel.

-Die stufenlose Abfrage der Greiferfinger erfolgt über einen optischen Sensor im Wechselkopf.

-Eine zentrale Durchgangsbohrung kann für die Teilezuführung, für die Überwachung mit Bildverarbeitungssystemen oder für die Laserbearbeitung genutzt werden.

Erschienen in Ausgabe: 09/2013