Teamwork im sub-µm-Bereich

Miniaturisierung ist gefragt. Ob Elektronik, Mechanik oder Biologie, alle Bereiche stellen besonders bei kleinsten Strukturen hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit. Um Strukturen im Sub-Mikrometer-Bereich zuverlässig messen zu können, ist Knowhow gefragt, eine Standardlösung aus der „großen Welt“ einfach zu reduzieren, funktioniert hier nicht. Linearstelltische, die per Piezoaktoren minimalste Schritte unter einer Messsonde erlauben, sind seit längerer Zeit bewährt. Sie erfüllen selbst im nm-Bereich zuverlässig ihren Dienst. Nachteilig ist aber die geringe Dynamik der Antriebe sowie die beschränkte Vorschublänge. Ein patentiertes System aus schnellem DC-Antrieb in Kombination mit hochpräzisem Piezorotationsantrieb auf einer gemeinsamen Spindel löst nun dieses Dilemma. Schnelle Zustellung bis zum Messpunkt, danach minimalster Vorschub für höchste Auflösung bei langen Zustellweiten ist kein Problem mehr.

Feinstbewegungen bei der Herstellung hochreiner Kristalle, Fokussier- und Scanaufgaben, Justage, Inspektion und Messaufgaben im sub-μm-Bereich erfordern eine hochgenaue, reproduzierbare Bewegung. Klassischerweise wird dabei meist das Messobjekt auf einem Linearstelltisch an Messkopf oder Aktor vorbeigeführt. Piezoantriebe sind für feinste Schrittweiten bekannt, leider ist ihre Dynamik für den Transport der Nutzlast in den Arbeitsbereich jedoch unzureichend. Auch bei der traditionellen Lösung, diese sehr niedrigen Geschwindigkeiten mit sehr geringen Auflösungen durch mehrstufige, hoch untersetzte spielfreie Getriebe zu erreichen, bedeutet minutenlange Anfahrt bis zur Messposition. Lange Rüstzeiten kosten aber teures Geld. Der Spezialist für präzise Bewegungen, die Feinmess Dresden GmbH, hat nun eine patentierte Lösung für dieses Dilemma gefunden. Den schnellen, aber nicht präzisionsgebundenen Transport übernimmt ein DC-Antrieb mit Getriebe, die Feineinstellung dann ein hochgenauer Piezomotor. In Zusammenarbeit mit FAULHABER konnten die Antriebe optimal auf diese Aufgabenteilung abgestimmt werden.

Zeit ist Geld

Bei Bewegungen im kleinsten Maßstab gelten prinzipiell andere Regeln als bei normalen Stelltischen. Wegen der geringen Wegstrecken ist nicht die maximale Geschwindigkeit des Antriebes ausschlaggebend für die Positionierzeit, sondern die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit sowie die Spanne zum mechanischen Ausschwingen des Gesamtaufbaus. Möchte man also die Dynamik des Positioniervorganges verbessern, ist diesen drei Punkten besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Die Feinmessspezialisten lösten die Aufgabe durch „Gewaltenteilung“ – jede Bewegungsart bekommt ihre maßgeschneiderte Antriebslösung. Um zwei Antriebe am Linearstelltisch unterzubringen, bietet sich der Kugelgewindeantrieb an. An seinen beiden Enden kann jeweils ein Antrieb platziert werden. Das so gefertigte Positioniersystem lässt sich in vielen Bereichen auch nachrüsten, um die Effizienz zu verbessern. Ein weiterer Vorteil: Es gibt theoretisch keine Längenbegrenzung für den Vorschub, die Spindel kann beliebig lang ausgeführt werden. So sind auch größere Messobjekte mit mehreren Messpunkten in einer Aufspannung schnell bearbeitet. Herkömmliche (Stapel-)Piezoantriebe sind dagegen auf nur wenige Millimeter Stellweite beschränkt.

Natürliche Eigenschaften nutzen

Eine gelungene Lösung bedeutet, mit minimalem Aufwand maximalen Nutzen zu erzielen. Auch Hightech kann mit relativ einfachen Komponenten auskommen, man muss nur wissen, wie es geht. Für die schnelle Zustellung im Hochgeschwindigkeitsmodus reicht beispielsweise als Antriebselement ein über eine Balgkupplung mit der Welle verbundener konventioneller Bürstenmotor mit Rotations-Encoder. Da seine Betriebszeit relativ gering ist, ist auch der Wärmeeintrag durch den Motor minimal und vernachlässigbar. Je nach verwendeter Spindelsteigung ist ein Geschwindigkeitsbereich von 0,5 mm/s bis 100 mm/s in der Praxis nutzbar. Dies entspricht dem Wert für die „Grobpositionierung“ vieler Standardlösungen. Nach dem Umschalten auf den Hochpräzisionsmodus wird die Besonderheit der neuen Lösung deutlich:
Im Positionierbetrieb schaltet das System bei einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/s energielos, also ohne Wärmeeintrag, über eine permanentmagnetische Kupplung auf den Antrieb mit einem rotatorischen Piezomotor um. In der Ruhelage arbeitet der Antrieb nun als passive Spindelbremse, dämpft Schwingungen und verhindert ungewollte Bewegungen des Tischsystems. Ein hochauflösendes Linearmesssystem erfasst permanent die Bewegungen und gibt diese Information an die Motorsteuerung weiter. Auf diese Weise bewegt der Antrieb den Lineartisch im Hochpräzisionsmodus mit 0,00002 mm/s bis 0,15 mm/s, das sind minimal 20 nm pro Sekunde! Die Geschwindigkeitskonstanz am unteren Bereichsende ist nur abhängig von der Auflösung des eingesetzten Linearmaßstabes. Die Wiederholgenauigkeit ist <100 nm. Die Geschwindigkeitsspreizung des Positioniersystems kann durch den Kunstgriff der Arbeitsteilung ein Verhältnis von über 1 Million zu 1 zwischen maximaler und minimaler Geschwindigkeit erreichen.

Optimal bewegt

Präzision muss nicht Unsummen kosten. Für den Einsatz im Dual-Speed-Linearstelltisch eignen sich herkömmliche graphitkommutierte Präzisionsmotoren. Die Standard-Motoren wurden von FAULHABER auf die Anwendung hin angepasst, das spart Entwicklungszeit und Kosten. Je nach benötigtem Drehmoment werden unterschiedliche Motoren eingesetzt. Die 23 mm durchmessenden Motoren erreichen beispielsweise bis zu 16 mNm Dauerdrehmoment bei 7000 U/min. Sie sind von Hause aus für den Einsatz mit magnetischen Encodern vorgesehen. Diese zweikanaligen Inkremental-Encoder gibt es mit 64, 128, 256 oder 512 Impulsen pro Umdrehung. Für die nötige Drehzahlreduzierung und Drehmomentanhebung stehen aufsteckbare Getriebe im 22 mm Motordurchmesser bereit. Sie gibt es in vielen abgestuften Untersetzungen.
Für den Hochpräzisionsantrieb liefert die zur FAULHABER GROUP gehörende PiezoMotor AB aus Schweden den Piezo- Rotationsmotor. Diese Antriebe bauen mit 32 x 23 mm (L x D) und nur 70 g Masse ebenfalls sehr kompakt. Sie arbeiten mit Steuerspannungen im Bereich von 0 bis 3000 Hz und erreichen 13,5 U/min bei 2100 Hz. Das Drehmoment beträgt 80 mNm, das Haltemoment 90 mNm. Die maximale inkrementale Schrittweite liegt bei 0,35 mrad. Für die mechanische Anbindung an die Permanentmagnetkupplung oder andere Applikationen ist eine 3 mm starke und 6,5 mm lange Welle vorgesehen.
Die Effizienz für Anlagen mit Feinst- Positionierung im Nanometerbereich lässt sich mit der richtigen Idee drastisch verbessern. Längere Hubweiten, höhere Präzision und schnellere Zustellzeiten gegenüber herkömmlichen Modellen sparen dem Anwender kostbare Produktionszeit ein. Trotz dieser Vorteile kommt die neue Lösung mit relativ einfachen Antriebskomponenten aus. Bewährte Kleinantriebs-Produkte auf den Anwendungsfall hin optimiert, können meist problemlos selbst anspruchvollste Aufgaben zuverlässig erfüllen.