Tour de Miniature

Mechatronik - Auf wenigen hundertstel Millimetern Produktionsraster spielt sich die Montage elektronischer Kleingeräte ab: Auf der Reise in eine geschrumpfte Welt werden kleinste Bauelemente lagerichtig gegriffen, präzise platziert und auf Leiterplatten aufgebracht. Je kleiner die Teile, desto intelligenter müssen die Komponenten sein.

01. Juli 2005

Dort, wo die zu produzierenden Teile immer kleiner werden, wo winzige Strukturen nur noch mit Mikroskopen erkennbar werden, bewegt sich auch die Automatisierungstechnik in Mikrobereichen. Schon heute sind kleinstbauende Miniaturventile, Minischlitten, Mikrogreifer oder Wartungseinheiten verfügbar, die in der Light Assembly und Elektronikkomponentenfertigung ihren festen Platz haben. Das Festo Miniaturventil MH1 hat beispielsweise eine über dreimal höhere volumenspezifische Leistung als herkömmliche Ventile gleicher Bauart. Denn Miniaturisierung mit Funktionenintegration in smarten mechatronischen Anlagenkonzepten steht ganz oben auf dem Wunschzettel vieler Kunden.

Auch im Programm: Die kleinste Ventilinsel der Welt, CPV Smart Cubic, mit einem Durchfluss von 150 l/min ermöglicht die Ansteuerung kleiner Antriebe auf engstem Raum. Sie lässt sich sogar auf einem bewegten Antrieb (Handling, Roboter) installieren. Genauso wie die Produkte der Kunden Nokia, Philips oder Intel immer kleiner, schneller und intelligenter werden, genauso erfüllt die Automatisierungstechnik die notwendigen Anforderungen an mehr Leistung auf kleinstem Raum, an höhere Taktzeiten sowie einfache und schnelle Montagetechnik und an ›intelligente Automatisierungstechnik‹ durch mehr Zusatzfunktionen in einer Komponente.

Light Assembly lässt die Produktion von Handys, Steuerungen und anderen elektronischen Geräten leicht von der Hand gehen. Ihren Ursprung hatte die Light-Assembly-Entwicklung in Finnland. Unternehmen wie Nokia machten ab Mitte der 80er-Jahre das skandinavische Land zu einer hochentwickelten Industrienation. Doch auch in der Nahrungsmittel- und Verpackungsindustrie, der Medizintechnik, der feinmechanischen Industrie und nicht zuletzt im Maschinenbau ist Mikromontage auf dem Vormarsch.

Bei der Montage elektronischer Baugruppen spielt die Pneumatik ihre Trümpfe aus. Die komplexe Aufgabe, eine Leiterplatte mit mechanischen Bauteilen zu einer Einheit zusammenzuführen, lässt sich mit Druckluftkomponenten ideal bewerkstelligen. Geführte, spielfreie Antriebe und Greifer eignen sich besonders für den Einsatz an Roboterhänden. Dank der geringen Masse und einfachen Montagemöglichkeiten beispielsweise am Rahmen lassen sich ganz neue Ideen andenken. Warum nicht einmal einen Greifer als Innengreifer nutzen, um ein Gehäuse gleichzeitig zu fixieren, die Greifposition abzufragen und elektrisch zu kontaktieren?

Die vielfältigen Funktionen elektronischer Geräte zeigt sich bei der Komplexität eines Funktionstesters. Aktionen, die eigentlich von Menschenhand durchgeführt werden, sind im Funktionstester pneumatisch gelöst. So einfach es scheint, mit dem Fingerdruck über Tastaturen zu gehen, so komplex und clever ist die vollautomatische Lösung mit Pneumatik. Bis zu 100 Aktuatoren und die entsprechende Anzahl an Ventilen müssen auf engstem Raum montiert und verschlaucht werden. Speziell auf die bauraumoptimierte Konstruktion entwickelte Feldbusknoten übernehmen mit der CPV-SC als kleinste Ventilinsel ihrer Klasse die Steuerung einer solchen Testbox.

Die gesamte automatisierte Fertigung am Anfang bestehend aus einer SMT-Linie und am Ende aus Roboterzellen, Platinenhandhabungsmodulen und Förderbändern baut auf Pneumatik, die mit Platz sparenden Lösungen, gewichtsoptimierten Konstruktionen, schnellen Schaltungen, präzisen Bewegungen und ESD-Schutz sowie Reinraumzulassung aufwarten kann. Der finnische Maschinen- und Anlagenbauer JOT Automation hat mit Festo eine Roboterzelle entwickelt, die auf engstem Raum teilmontierte Mobiltelefone vom Förderband nimmt, axial dreht, etikettiert und auf Funktionen testet. Ein robuster Parallelgreifer nimmt die Beschleunigungskräfte, die am Mobiltelefon während des Transports auftreten, gelassen auf, und montierte Schwenkantriebe mit einem Durchmesser von 6 mm übernehmen dazu die axiale Drehung.

Mikrosystemtechnik kann mit busfähigen Sensoren und Mikrokomponenten neue Funktionen realisieren. Aktuelle Beispiele zeigen, dass dezentrale Intelligenz, Flexibilität, Diagnose, erhöhte Präzision, die ständig zunehmende Miniaturisierung und ressourcenschonende Produktion die wichtigsten Innovationstreiber für die Mikrosystemtechnik im Maschinenbau sind. Aufgrund dieses Innovationspotenzials kann diese Technologie dazu beitragen, den Innovationsvorsprung und die Wettbewerbsfähigkeit des Maschinenbaustandorts Deutschland auszubauen. Durch Anwendung von Mikrotechniken ist eine extreme Miniaturisierung fluidischer Systeme möglich (Mikrofluidik). Typische Bauelemente mikrofluidischer Systeme sind Pumpen, Ventile, Mikro-Aktuatoren und Mikrokanäle, die mit Mikrosensoren (z.B. Druck-, Temperatur- und Durchflusssensoren ) und Signalverarbeitungskomponenten zu intelligenten Mikrosystemen kombiniert werden. Die Leistungsfähigkeit fluidischer Steuerungen konnte durch Nutzung intelligenter Steuerungen und Regelungen, die durch die Mikroelektronik dezentral implementiert werden, erheblich gesteigert werden.

›Intelligente Automation‹ bedeutet, mechatronische Systeme zu nutzen. Dabei werden mechanische Komponenten durch Elektronik und Software ›veredelt‹. Die Mechanik kann dabei einfach und kostengünstig aufgebaut sein, weil ein Teil der Funktionalität durch die Elektronik bereitgestellt wird. Damit kann beispielsweise ein Handling-System aus Standardkomponenten auf ein verstellbares Anschlagsystem und Stoßdämpfer verzichten, da eine servopneumatische Regelung den Bremsvorgang übernimmt. Möglich wird dadurch eine Positionierung in Zwischenpositionen. Da die Positioniersteuerung einen weichen Beschleunigungs- und Bremsvorgang erzeugt, kann mit diesem Handling-System trotz hoher Taktrate erschütterungsarm gefahren werden. Auch Festo bricht auf seiner Tour de Miniature in neue Welten auf: In Sphären, in denen die Oberflächenkräfte im Verhältnis zu den Volumenkräften immer wichtiger werden, wird der Anbieter von Automationstechnik in wenigen Jahren pneumatische Mikroventile mit unterschiedlichen Aktuatoren anbieten können. Dann werden auch neben der Siliziumtechnologie zur Herstellung von Mikroventilen Kunststoffe zu deren Fertigung an Bedeutung gewinnen. Die Mikroventile werden dann so genannte ›Smart Valves‹ oder ›intelligente Ventile‹ sein, die Diagnosefunktionen enthalten und beispielsweise über Bus-Ansteuerung Auskunft über die erreichte Schaltzahl geben können. Die Ergänzung der Ventile um Sensoren und Elektronik wird zu mikropneumatischen Systemen führen. Einen wichtigen Schritt in diese Richtung hat der Hersteller von Automationstechnik mit der Gründung eines Kompetenzzentrums für Mikrotechnik im schweizerischen Pieterlen bei Biel gemacht. Die Advanced Micro Technology AG, am Fuße des Schweizer Jura inmitten der renommierten Schweizer Feinwerktechnik- und Uhrenindustrie gelegen, entwickelt und produziert mikrosystemtechnische Komponenten für die Automation. Festo hat die Bedeutung der Mikrosystemtechnik klar erkannt und das Tor für mikropneumatische Neuentwicklungen weit aufgestoßen.

Alfons Riek, Festo

Erschienen in Ausgabe: 04/2004