Motor des Fortschritts

Auch in den nächsten Jahren werden Branchen wie die Halbleiterindustrie, Life-Sciences oder die Biotechnologie auf Wachstumskurs bleiben. Steigende Anforderungen in diesen Bereichen haben dabei häufig Auswirkungen auf unterstützende Technologien.

Ein typisches Beispiel dafür liefert die Antriebstechnik: Bei Inspektions- und Fertigungssystemen der Halbleiterindustrie beispielsweise sind heute meist Luftlagertechnik und magnetische Linearmotoren im Einsatz. Die Anforderungen an die Präzision werden zukünftig weiter steigen bis in den Nanometerbereich. Zudem stoßen solche Systeme an ihre Grenzen, wenn Anwendungen das Arbeiten unter Vakuum oder Stickstoffatmosphäre erfordern. Antriebsspezialisten haben sich nun dieser Thematik angenommen und mit einem neuen elektromagnetischen Positioniersystem bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt.

Treffen Marktgespür, Kompetenz und Teamfähigkeit aufeinander, wird letztendlich der Anwender profitieren. Die Karlsruher Firma Physik Instrumente (vgl. Kastentext 1) beweist das gerade: Der Spezialist für hochpräzise Positioniersysteme hat in Kooperation mit dem Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS) und dem Fachbereich Mechatronik der Universität Ilmenau ein neues Positioniersystem entwickelt, das auf dem Prinzip des magnetischen Schwebens (Magnetic Levitation) basiert (Bild 1). Der Läufer schwebt auf einem magnetischen Feld, das durch sechs Spulen erzeugt und aktiv über einem 6D-Sensor geregelt wird. Das magnetische Feld übernimmt dann die Aufgabe des Antriebs und der aktiven Führung des Läufers. Der Antrieb und das kompakte hochauflösende Messsystem für die sechs Freiheitsgrade wurde so entwickelt, dass der Läufer passiv bleibt, also keine Kabelanschlüsse notwendig sind. Ein zweidimensionales optisch inkrementales Messsystem erfasst dazu in Kombination mit kapazitiven Sensoren die Position und dient zur Regelung des Antriebes in allen Achsen. Objekte lassen sich auf diese Weise mit bisher unerreichter Führungsgenauigkeit in der Ebene linear bzw. rotativ bewegen. „Die aktuelle, schon recht fortgeschrittene Entwicklungsstudie PIMag 6D positioniert mit einer Auflösung von 10 nm,“ freut sich Dr. Rainer Gloess, Leiter Advanced Mechatronics bei PI (Bild 2). „Fährt das System z.B. eine Kreisbahn mit 100 nm Durchmesser, liegt die maximale Abweichung von der Ideallinie bei nur wenigen Nanometern.“

Der Prototyp hat aktuell einen Bewegungsbereich von 100 x 100 x 0,15 mm³. Bahnbewegungen können bei einer Beschleunigung von bis zu 2 m/s2 und einer Geschwindigkeit von derzeit bis zu 100 mm/s mit Nanometerpräzision durchgeführt werden. Der digitale Controller des elektromagnetischen Antriebs, basierend auf einem modularen System von PI, kann bereits heute verschiedene Geometriefiles sowie Koordinatentransformationen verarbeiten und bietet damit eine optimale Basis für Skalierungen. Auf die nächsten Entwicklungsschritte darf man folglich gespannt sein.

Kastentext 1: Über Physik Instrumente (PI)
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Nanopositioniertechnik entwickelt. Das privat geführte Unternehmen kann mit über 700 Mitarbeitern weltweit fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik und die Piezokeramiken bzw. -aktoren. Letztere werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Auch die miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg gehört heute als PI miCos zur leistungsfähigen PI-Gruppe. Einen Schwerpunkt im breitgefächerten Produktprogramm bilden flexible Positioniersysteme für Ultrahochvakuum-Anwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme mit sechs Freiheitsgraden oder Sonderanfertigungen.
Kastentext 2: Über das IMMS
Das Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS) ist ein landeseigenes außeruniversitäres Institut des Freistaates Thüringen und stellt anwendungsorientierte Vorlaufforschung für die Entwicklung von Erzeugnissen der Mikroelektronik und Systemtechnik kleinen und mittleren Unternehmen als Dienstleistung zur Verfügung. Das IMMS entwickelt beispielsweise seit 15 Jahren Antriebslösungen für luftgeführte Präzisionssysteme, die vorrangig Anwendungen finden in Maschinen zur Laserstrukturierung u.a. für die Präzisionstechnik, die Medizintechnik und beim Laserdicing von Wafern.