Montage in der Tischfabrik: Neuartige Fertigungstechnik für mikrooptische Sensoren

Gemeinsam mit mehreren mittelständischen Unternehmen haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe die Fertigungstechnik für einen modular aufgebauten Abstandssensor entwickelt. Im Rahmen des vom BMBF mit 1,4 Millionen Euro geförderten Projektes wurden sämtliche industriellen Fertigungsschritte realisiert. Mit dem modularen Konzept erschließt sich auch für kleine und mittlere Unternehmen eine wirtschaftliche Mikrofertigung innovativer Produkte.

Die Mikrooptik erschließt völlig neue Anwendungen: In Kraftfahrzeugen oder Fabrikrobotern kommen zunehmend neuartige optische Sensorsysteme zur Abstandsmessung auf engstem Raum zum Einsatz. Mikrospektrometer zur Farbanalyse erkennen beim Zahnarzt in handlichen Geräten die notwendige Farbe zur Herstellung des Zahnersatzes oder unterstützen die berührungslose Früherkennung von Gelbsucht bei Neugeborenen. Bei Gentests können Substanzen zum Beispiel mittels der so genannten Kapillarelektrophorese in Kleinstlaboren in Briefmarkengröße auf ihre Bestandteile untersucht werden.

Die Markteinführung innovativer Produkte der Mikrosystemtechnik scheitert vor allem an fehlender Fertigungstechnik. Eine Laborfertigung lässt sich nicht direkt in eine robuste und wirtschaftliche Produktion überführen. Abhilfe haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe in enger Kooperation mit Industriepartnern im industriellen Forschungsverbund „MikroFEMOS“ geschaffen, der mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in Höhe von 1,4 Mio. Euro im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“ gefördert wurde. Der Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien, betreute den Verbund. Anhand eines modular aufgebauten mikrooptischen Abstandssensors wurden sämtliche industriellen Fertigungsschritte demonstriert.

Neben dem mikrooptischen Modul benötigt der Abstandssensor ein zweites Modul, das die elektrooptischen Komponenten wie eine Laserdiode zur Beleuchtung und eine Photodiode zur Erfassung der Messsignale enthält. Beide Module ergeben zusammengebaut das fertige Sensorsystem.

Die modulare Bauweise hat viele Vorteile: So können die einzelnen Module unabhängig voneinander optimiert werden. Vor allem aber lassen sich die Module getrennt fertigen.

Der Abstandssensor kann überall dort eingesetzt werden, wo die Baugröße herkömmlicher Sensoren ein Problem darstellt, beispielsweise in der Industrieautomation.

Gemeinsam mit der Firma Wickert Maschinenbau in Landau wurde dabei die erste industriell einsetzbare Heißprägemaschine entwickelt. „Damit können wir Mikrolinsen und die zugehörigen Halterungssysteme aus Kunststoff deutlich schneller als mit den bisher verfügbaren Labormaschinen produzieren. Dies führt auch zu deutlich verminderten Herstellungskosten“, stellt Dr. Jürgen Mohr, Leiter der Abteilung Mikrooptik im Institut für Mikrostrukturtechnik des Forschungszentrums Karlsruhe fest.

Die zweite Herausforderung war der Zusammenbau der verschiedenen Komponenten: Aus den Bauteilen muss ein funktionsfähiges mikrooptisches System entstehen. Die Größen der Bauteile umfassen dabei wenige Millimeter, die notwendige Montagegenauigkeit liegt bei wenigen tausendstel Millimetern (also wenigen Mikrometern). Diese Aufgaben übernimmt eine ebenfalls innerhalb des Projektes entwickelte Mikromontagemaschine. Projektpartner war dabei die Firma IEF Werner GmbH in Furtwangen.

Die Montage von Mikroteilen muss in Reinräumen durchgeführt werden, da kleinste Schmutzpartikel zu Ausfällen an den Produkten führen. Diese klimatisierten Reinräume sind in Fabrikhallen integriert und im Unterhalt sehr teuer. Die kleine Bauform der Mikromontagemaschine ermöglicht den Einsatz in Reinraumboxen von der Größe eines Kopierers. Dies verhilft zu erheblichen Einsparungen bei Aufbau und Unterhalt. Es ermöglicht auch kleineren Unternehmen den Einstieg in die Mikromontage.

„Durch das neu entwickelte Montagesystem für Mikrokomponenten rückt die Vision einer verketteten Fertigung in einer Tischfabrik in greifbare Nähe“, erläutert Andreas Hofmann, Mitarbeiter der Mikromontagegruppe im Institut für Angewandte Informatik des Forschungszentrums Karlsruhe. „Durch die kleine Baugröße stehen Teilegröße und Energieeinsatz zur Herstellung in einem deutlich günstigeren Verhältnis zueinander als bisher bei vergleichbaren Maschinen üblich. Teile von der Größe eines Stecknadelkopfes werden nicht mehr auf Maschinen in der Größe eines Kleiderschranks montiert. Die Zukunft der Mikrosystemfertigung kann in einer Garage beginnen.“

Durch neue modulare Produktionstechnologien erhalten produzierende Industriefirmen die Chance, sich auf die Herstellung eines der Sensor-Module zu spezialisieren und das spezifische Know-how ihrer Firma zu nutzen. Verschiedene Firmen können an der Wertschöpfungskette teilnehmen. Dies eröffnet insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen den Zugang zur Mikrosystemtechnik.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.