Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 06/2016, 10.06.2016

Mit Piezo-Technik auf 1 µm genau positionieren

Die IEF-Werner GmbH hat mit der «NanoLine-Technologie» ein Positioniersystem entwickelt, das dank Piezo-Antriebstechnik mit hoher Präzision und maximaler Wiederholgenauigkeit glänzt. Es eignet sich besonders für den Einsatz in der Mikroproduktion.

(msc) Bei Positionierungsaufgaben entstehen die grössten Herausforderungen, wenn es heisst: «…aber mikroskopisch genau muss es sein!» Um solche extrem hohe Präzision im Maschinenbau zu erreichen, müssen zum einen die richtigen Antriebskomponenten gewählt werden, zum anderen braucht es ein breites Know-how in der Fertigung von Präzisionsbauteilen, wie Führungen und Schlitten. Der wichtigste Faktor ist jedoch, gute Ideen zu haben, wenn es darum geht, Reibung zu vermeiden.

Diese Faktoren vereinigt man bei IEF-Werner in der «NanoLine»-Technologie. Dieses Antriebskonzept eignet sich speziell für die Mikromontagetechnik, wo die Montage kleinster Bauteile bei hoher Präzision gefordert ist. Das Konzept besteht im Wesentlichen aus der Kombination zweier Elemente: dem piezokeramischen Aktuator und dem aerostatischen Luftlager.

Ein Piezoaktuator 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, der eine reibungsfreie Bewegung erlaubt. Eine wichtige Eigenschaft des Luftlagers ist die Vermeidung des Stick-Slip-Effekts. Dieser Haftgleiteffekt bezeichnet das Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Flächen. Es erschwert die Positionierbarkeit von Antriebskomponenten, besonders wenn es um Aufgaben im Mikrometerbereich geht.

Aus der Kombination dieser unterschiedlichen Technologien resultiert ein Produkt, das robust und zuverlässig ist. Es kann wiederholgenau auf 0,001 mm positionieren. Seine kompakte Bauform ermöglicht Lösungen für sogenannte Desktop-Factorys, in denen eine grosse Anzahl an Produktionsaufgaben auf engstem Raum untergebracht werden.

Je mehr Technik auf engstem Raum untergebracht ist, desto eingeschränkter ist jedoch auch die Zugänglichkeit. Vor allem, wenn Abdeckungen und Sicherheitsbauteile den Bediener vor der Maschinenmechanik schützen müssen. Hier kommt ein weiterer Vorteil von Piezoantrieben zum Tragen: Sie sind zwar sehr dynamisch, erzeugen aber nur geringe Kräfte. Deshalb benötigen sie keinerlei Abdeckungen. Die NanoLine-Technologie eignet sich auch deshalb gut für Pick-and-Place-Systeme.

Bei einem solchen System auf Basis der NanoLine-Technologie werden alle Achsen von schnellen Piezoaktuatoren angetrieben. Sie heben Bauteile von 40 bis 500 g und können diese mit Geschwindigkeiten von bis zu 200 mm/s transportieren. Dabei erreichen sie eine wiederholbare Positioniergenauigkeit von < 1 µm.

Bei konventionellen Pick-and-Place-Systemen müssen Geschwindigkeit, Bewegungsradius und Drehmoment ständig überwacht werden, sobald ein Eingriff in den Gefahrenbereich droht. Dies wird in einschlägigen Richtlinien und Normen gefordert. Nur bei strikter Einhaltung dieser Vorschriften ist es zulässig, dass der Mensch sich in unmittelbarer Nähe eines solchen Systems aufhält. Die ist jedoch in modernen und flexiblen Produktionsumgebungen immer häufiger gefordert.

Mithilfe der NanoLine-Technologie lassen sich Montage- oder Transportvorgänge durchführen, während die Maschinenbediener in unmittelbarer Nähe des Montagesystems arbeiten. Der Mitarbeiter kann jederzeit in den Montage- oder Transportvorgang eingreifen, ohne sich dabei zu verletzten, denn sobald beispielsweise ein Greifer festgehalten wird, steht die entsprechende Achse sofort still, bis sie wieder freigegeben wird. Danach kann der zuvor begonnene Montage- oder Transportvorgang zu Ende geführt werden, da die Achse durch den integrierten Absolutwertgeber jederzeit weiss, wo sie steht.

Mit Piezoaktuatoren lassen sich so ungewöhnliche Konzepte realisieren. Die grössten Vorteile der NanoLine-Technologie: Für den Menschen sind die kinetischen Energien ungefährlich und es lässt sich eine äusserst präzise Positionierbarkeit sicherstellen. Zwar schränken diese Vorteile die Nutzlast ein, trotzdem können die NanoLine-Antriebskomponenten vielseitig eingesetzt werden – eben wenn es um hohe Präzision und maximale Wiederholgenauigkeit in der Mikroproduktion geht.

IEF-Werner DE-78120 Furtwangen Tel. +49 7723 914 406 klaus.straub@ief-wermer.de



Die gängigste Prozesskomponente in der Montagetechnik ist das Pick-and- Place. (Bilder: IEF-Werner)


Offenes Pick-and-Place-System zur Montage von Kleinteilen; die Montageeinheit ist hier ohne Schutzumhausung von allen Seiten frei zugänglich.