Bei hohem Durchsatz präzise positionieren:

Automatisierungsplattformen für die Lasermaterialbearbeitung

Bei ganz unterschiedlichen Verfahren sind Laser heute branchenübergreifend im Einsatz, um Fertigungsprozesse weiter zu optimieren und eine hohe Qualität der Bauteile zu gewährleisten. Bild: PI

Schneiden, Bohren, Schweißen, Markieren oder Strukturieren – bei ganz unterschiedlichen Verfahren sind Laser heute branchenübergreifend im Einsatz, um Fertigungsprozesse weiter zu optimieren und eine hohe Qualität der Bauteile zu gewährleisten. So profitieren beispielsweise die Elektronik-Branche oder die Halbleiterindustrie von den fortschrittlichen Möglichkeiten der Lasermaterialbearbeitung. Verfahren, Material, Arbeitszyklus, Umgebungsbedingungen und Kriterien wie Durchsatz, Präzision, Geometrietoleranzen, Größe der Bearbeitungsfläche und Konturen stellen dabei unterschiedliche Anforderungen an das Motion Control System. Sie lassen sich z. B. hinsichtlich Durchsatz und Präzision erfüllen, wenn Systemkomponenten wie Mechanik, Laseransteuerung und Strahlführung aufeinander abgestimmt sind und über leistungsfähige Steuerungslösungen kommunizieren.

Laserbearbeitung ist ein breites Feld und dementsprechend unterschiedlich sind die Anforderungen. Da bezüglich des Durchsatzes die Laserleistung heute meist kein begrenzendes Kriterium ist, sind Geschwindigkeit und Dynamik der eingesetzten Automatisierungsplattformen für die erreichbare Produktivität ausschlaggebend.

Als Lösungsanbieter für Antriebstechnik und Positioniersysteme hat Physik Instrumente (PI) sich den unterschiedlichen Herausforderungen in der Laserbearbeitung gestellt und kann heute Automatisierungsplattformen für die industrielle Laserbearbeitung anbieten, die sowohl hohe Qualität als auch hohe Durchsatzraten ermöglichen. Das Spektrum reicht von Ein- oder Mehrachssystemen ohne Galvanometer-Scanner bis hin zu mehrachsigen Lösungen, bei denen die Bewegungssteuerung des Laserscanners und der Positioniersysteme synchron erfolgt.

Beschriften von Diamanten

Die Bewegung des Diamanten in X-, Y- Richtung übernehmen hochdynamische Lineartische mit magnetischen Direktantrieben. Bild: PI

Die Bewegung des Diamanten in X-, Y- Richtung übernehmen hochdynamische Lineartische mit magnetischen Direktantrieben.
Bild: PI

Eine Anwendung für mehrachsige Positioniersysteme ist das Gravieren von Diamanten. Dabei wird beispielsweise die Zertifikatsnummer per Laserstrahl auf die Oberfläche geschrieben. Die Bewegung des Werkstücks in X-, Y- Richtung und die Positionierung des Laserobjektivs in Z-Richtung übernehmen hochdynamische Lineartische, die mit magnetischen Direktantrieben arbeiten. Sie erreichen hohe Geschwindigkeiten und Scanfrequenzen von über 10 Hz. Dank ihrer Kreuzrollenführungen, Motoren mit hoher Wiederholgenauigkeit und geeigneter Encoderauswahl sind Genauigkeiten im Submikrometerbereich möglich. Der integrierte, direkt messende, optische Linearencoder ermöglicht eine zuverlässige Positionsregelung.

Ein optimierter Algorithmus eines ACS Motion Controllers synchronisiert die Bewegung des Werkstücks so mit den Laserpulsen, dass der Abstand benachbarter Punkte und deren Größe bei Mustern gleich bleiben. Bild: PI

Ein optimierter Algorithmus eines ACS Motion Controllers synchronisiert die Bewegung des Werkstücks so mit den Laserpulsen, dass der Abstand benachbarter Punkte und deren Größe bei Mustern gleich bleiben.
Bild: PI

Die Ansteuerung für die präzise Kennzeichnung der Zertifizierung auf den Diamanten übernimmt ein leistungsfähiger Motion Controller, der sowohl das positions- als auch geschwindigkeitsabhängige triggern des Lasers vereinfacht. Dadurch lassen sich Bewegungen des Positioniersystems und die Laserpulse beim Schneiden von Ecken, Bögen, Kreisen und komplexen Mustern präzise aufeinander abstimmen. Ein optimierter Algorithmus im Controller synchronisiert die Bewegung des Werkstücks mit den Laserpulsen so, dass der Abstand benachbarter Punkte und deren Größe bei Mustern gleich bleiben.

Vereinzeln eines Wafers

Bei der Vereinzelung von Wafer-Dies kommt es auf hohe Genauigkeit an. Die zulässigen Toleranzen liegen bei nur wenigen Mikrometern pro Meter Verfahrweg. Ein passendes Positioniersystem für solche Anwendungen ist der von magnetischen Direktantrieben bewegte, luftgelagerte Planartisch. Bild: PI

Bei der Vereinzelung von Wafer-Dies kommt es auf hohe Genauigkeit an. Die zulässigen Toleranzen liegen bei nur wenigen Mikrometern pro Meter Verfahrweg. Ein passendes Positioniersystem für solche Anwendungen ist der von magnetischen Direktantrieben bewegte, luftgelagerte Planartisch.
Bild: PI

Auch beim Trennen von Wafer-Dies kommt es auf hohe Genauigkeit an. Die Schnittbreite muss konstant sein und senkrechte Schnittkreuzungen sind gefordert. Außerdem ist die absolute Genauigkeit wichtig, damit die einzelnen Dies beim Schneiden nicht beschädigt werden. Die zulässigen Toleranzen liegen bei nur wenigen Mikrometern pro Meter Verfahrweg. Ein geeignetes Positioniersystem für solche Anwendungen ist der von magnetischen Direktantrieben bewegte, luftgelagerte Planartisch A-322. Er hat einen magnetischen Direktantrieb, wodurch hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von 20 m/s² möglich sind. Mit sinuskommutierter Ansteuerung wird gleichzeitig eine hohe Positionsauflösung von einem Nanometer erzielt, da der Antrieb reibungsfrei ist. Das Positioniersystem wurde ausgelegt, um sowohl die Durchsatzrate zu maximieren als auch die höchste Präzision zu gewährleisten.

Fertigung von Schablonen und Platinen

Bei der Fertigung und Bearbeitung von Schablonen sind Werkstücke und Strukturdichte hier besonders groß. Deshalb sind vom Positioniersystem große Stellwege gefordert bei einer Präzision im Mikrometerbereich. Bild: TRUMPF GmbH + Co. KG

Bei der Fertigung und Bearbeitung von Schablonen sind Werkstücke und Strukturdichte hier besonders groß. Deshalb sind vom Positioniersystem große Stellwege gefordert bei einer Präzision im Mikrometerbereich.
Bild: TRUMPF GmbH + Co. KG

Ähnlich hoch sind die Anforderungen bei der Fertigung und Bearbeitung von Schablonen und Platinen. Werkstücke und Strukturdichte sind hier besonders groß. Deshalb sind vom Positioniersystem große Stellwege gefordert bei einer Präzision im Mikrometerbereich.

Die Gantry-Systeme mit ihrer hohen Steifigkeit, aber leichten Bewegungsplattformen bieten einen hohen Durchsatz. Kabelmanagement und Bedienung sind dahingehend optimiert, dass vertikale Bewegungsachsen, Autofokus-Sensoren und ein Zuführsystem für den Laser ergänzt werden können. Bild: PI

Die Gantry-Systeme mit ihrer hohen Steifigkeit, aber leichten Bewegungsplattformen bieten einen hohen Durchsatz. Kabelmanagement und Bedienung sind dahingehend optimiert, dass vertikale Bewegungsachsen, Autofokus-Sensoren und ein Zuführsystem für den Laser ergänzt werden können.
Bild: PI

Gantry-Systeme mit ihrer hohen Steifigkeit, aber leichten Bewegungs-plattformen bieten hierfür gute Voraussetzungen. Kabelmanagement und Bedienung sind dahingehend optimiert, dass vertikale Bewegungsachsen, Autofokus-Sensoren und ein Zuführsystem für den Laser ergänzt werden können. Das Design ermöglicht es zudem, die zu bearbeitenden Teile im Stillstand zu halten und nur den Laser samt Optik zu bewegen. Die von PI eingesetzten Absolut-Messsysteme erleichtern die Systeminitialisierung, denn damit ist nach dem Einschalten keine Referenzfahrt erforderlich.

Beschriften mit dem Laserstrahl

Dank der SCANahead Regelungstechnik, in Kombination mit Galvanometer-Scannern mit digitalen Encodern, erzielen die Scan-Köpfe der excelliSCAN-Serie hinsichtlich Dynamik und Präzision ein bislang unerreichtes Performance-Level. Bild: SCANLAB

Dank der SCANahead Regelungstechnik, in Kombination mit Galvanometer-Scannern mit digitalen Encodern, erzielen die Scan-Köpfe der excelliSCAN-Serie hinsichtlich Dynamik und Präzision ein bislang unerreichtes Performance-Level.
Bild: SCANLAB

Beim Laserbeschriften werden häufig mehrachsige Positioniersysteme mit einem Galvanometer-Scanner zur Ablenkung des Laserstrahls kombiniert. Hinsichtlich Dynamik und Präzision lassen sich so sehr gute Ergebnisse erzielen, wenn beispielsweise Skalen auf funktionale Bauteile geschrieben werden sollen. Die Bewegung in XY-Richtung übernimmt dann ein als Kreuzrollentisch aufgebauter Positioniertisch der Baureihe V-731.

Mehrachsiger Aufbau aus Lineartischen von PI und einem Galvanometer-Scanner von SCANLAB für das Lasermarkieren von Skalen. Bild: PI

Mehrachsiger Aufbau aus Lineartischen von PI und einem Galvanometer-Scanner von SCANLAB für das Lasermarkieren von Skalen.
Bild: PI

Er bietet eine Wiederholgenauigkeit von 0,1 μm und die kleinste Schrittweite beträgt 0,02 μm. Seine Linearmotoren kommen ohne zusätzliche Mechanik aus und treiben die Plattform direkt an. Damit sind hohe Geschwindigkeiten möglich. Für Bewegungen in Richtung der Z-Achse lässt er sich mit einer Linearachse kombinieren, die ebenfalls eine hohe Ablaufgenauigkeit bietet.

EtherCAT Laser-Steuermodul und HMI-Interface

Das EtherCAT-Slave-Modul der LCM-Serie bietet eine breite Palette von Funktionen. Über universelle elektrische Schnittstellen kann das Steuermodul praktisch jeden Laser steuern. Bild: ACS Motion Control

Das EtherCAT-Slave-Modul der LCM-Serie bietet eine breite Palette von Funktionen. Über universelle elektrische Schnittstellen kann das Steuermodul praktisch jeden Laser steuern.
Bild: ACS Motion Control

Bei den beschriebenen Laserbearbeitungsverfahren lassen sich die oft komplexen Prozesse mit einem speziellen Lasermodul einfach steuern. Es ermöglicht auch eine direkte Steuerung der Laserquelle, um Präzision und Durchsatz zu erhöhen. Das EtherCAT-Slave-Modul der LCM-Serie bietet eine breite Palette von Funktionen, einschließlich der digitalen Pulsmodulation für dynamische Leistungsregelung, Ausgangsimpulse oder Gating-Signale (Ein/Aus-Signale), die auf Positionen entlang eines zwei- bis sechsdimensionalen Bewegungspfades oder programmierbare Betriebszonen etc. synchronisiert sind. Über universelle elektrische Schnittstellen kann das Steuermodul praktisch jeden Laser steuern. Neben dem Hochgeschwindigkeits-Lasersteuersignalausgang verfügt das Modul über einen speziellen Verriegelungseingang, einen Fehlereingang und einen Freigabeausgang. Zusätzlich stehen acht digitale I/Os für laserspezifische Funktionalitäten zur Verfügung. Die Herausforderungen bei der Entwicklung einer robusten und skalierbaren Laserbearbeitungs- oder Mikrofertigungs-Maschinenplattform lassen sich mit einem solchen Lasermodul besser und schneller lösen.

Weitere Erleichterungen bringen anpassbaren HMI-Plattformen. Insbesondere gilt das für die Optimierung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Lasersteuerung relativ zur Bewegung und für die Entwicklung der zugehörigen HMI-Software. Maschinenentwickler, Systemintegratoren und Anwender profitieren davon gleichermaßen, denn das Resultat bedeutet gleichzeitig höhere Maschinenleistung und reduzierter Entwicklungsaufwand.

Scanverfahren im XL-Format

XL-Scanverfahren: Kleine Details erfordern hohe Beschleunigungen und große Flächen bedingen lange Verfahrwege. Dazu werden die Bewegungen von Kreuztisch und Galvanometer-Scanner synchronisiert. Bild: PI

XL-Scanverfahren: Kleine Details erfordern hohe Beschleunigungen und große Flächen bedingen lange Verfahrwege. Dazu werden die Bewegungen von Kreuztisch und Galvanometer-Scanner synchronisiert.
Bild: PI

Bei den bisher beschriebenen Laserbearbeitungsverfahren mit Galvanometer-Scannern arbeiten Scanner und Positioniersystem nicht gleichzeitig, sondern nacheinander im Stitching-Verfahren. Große Flächen mit vielen kleinen Details können auf diese Weise allerdings nicht effizient beschrieben werden.

Kleine Details erfordern hohe Beschleunigungen und große Flächen bedingen lange Stellwege. Es empfiehlt sich also, die zu schreibenden Trajektorien in Anteile für kleine, leichte und damit schnelle Positioniersysteme mit kurzem Hub und für große, schwere und damit verhältnismäßig langsame Bewegungskomponenten mit langem Hub aufzuspalten. Beide Systeme müssen dann synchronisiert werden.

Im Prinzip funktioniert die Laserbeschriftung dann so ähnlich wie das Schreiben beim Menschen. Der Arm als langsamer Bewegungsapparat übernimmt die Grobmotorik, während Hand und Finger präzise die einzelnen Buchstaben formen, was dann der Bewegung des Galvanometer-Scanners entspricht. Beim XL-Scannen werden analog dazu die Bewegungsmuster von Kreuztisch und Scanner von einem Controller synchronisiert und laufen simultan ab. Mit diesem Verfahren lassen sich auch große Flächen mit vielen kleinen Details effizient beschriften und so die Durchsatzraten steigern. Da in diesem Fall auch die Auslenkung des Laserstrahls durch den Scanner klein und somit optische Fehler gering gehalten werden, wird im Vergleich zum Stitching-Verfahren eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit erreicht; dabei fallen außerdem auch Stitching-Fehler weg.

Positioniersysteme von PI haben sich im Zusammenhang mit Lasertechnik schon in unterschiedlichsten Präzisionsanwendungen in Forschung und Industrie bewährt. Sogar auf dem Mars ist ein entsprechendes Positioniersystem zur „bearbeitenden“ chemischen Analyse mit einem Laser im Einsatz.

Über Physik Instrumente
Physik Instrumente (PI) ist ein führender Global Player auf dem Markt für Präzisionspositionierungstechnologie und bekannt für die hohe Qualität seiner Produkte. Das Unternehmen entwickelt und fertigt seit über 40 Jahren Standard- und Sonderanfertigungen mit Piezo- oder Motorantrieben. Mit der Mehrheitsbeteiligung an ACS Motion Control, einem führenden Entwickler und Hersteller von modularen Bewegungssteuerungen für mehrachsige und hochpräzise Antriebssysteme, kann PI nun komplette Systeme für industrielle Anwendungen anbieten, die außergewöhnliche Präzision in einem breiten Dynamikbereich erfordern. Die PI-Gruppe hat vier Standorte in Deutschland und ist international mit fünfzehn Vertriebs- und Serviceniederlassungen vertreten.

www.pi.de

Über SCANLAB
Die SCANLAB GmbH ist mit mehr als 30.000 ausgelieferten Systemen jährlich der weltweit führende und unabhängige OEM-Hersteller von Scan-Lösungen zum Ablenken, Positionieren und Führen von Laserstrahlen in drei Dimensionen. Die schnellen und präzisen Hochleistungs-Galvanometer-Scanner, Scan-Systeme und Ansteuerlösungen werden in Deutschland entwickelt und mit höchsten Qualitätsstandards gefertigt. Die Scan-Köpfe und Systemlösungen werden in der industriellen Materialbearbeitung, Elektronik-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der Bio- und Medizintechnik erfolgreich eingesetzt. Seit über 25 Jahren sichert SCANLAB seinen internationalen Technologievorsprung durch zukunftsweisende Entwicklungen in den Bereichen Elektronik, Mechanik und Optik sowie durch die vertrauensvolle Partnerschaft zu den Kunden und Lasertechnologie-Anwendern.

www.scanlab.de/de

Titelbild: PI

Dr. Markus Simon

Bereichsleiter System Consulting bei der PI miCos GmbH

Marco Antoni

Marco Antoni

Der Diplom-Physiker arbeitet seit Juni 2015 beim Redaktionsbüro Stutensee. Kontakt können Sie via Xing, Twitter und Facebook aufnehmen.

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