Aktive „Unterlegscheiben“ für Präzisionsmaschinen:

Nachjustieren mit dem Piezoeffekt

Ändert sich innerhalb von Präzisionsmaschinen z.B. für Laserbearbeitung oder Feinwerktechnik ein Soll- oder Ist-Maß zwischen zwei Komponenten, ist es oft erforderlich, dieses nachzujustieren. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Maschine beim Anwender in Betrieb geht und erstmaliges Setzen nach der Installation vor Ort, Langzeit-Driften oder Toleranzveränderungen auszugleichen sind. Häufig davon betroffen sind optische oder messtechnische Einrichtungen, astronomische Geräte, Bearbeitungsmaschinen für Wafer, Chipholder oder Positioniersysteme für die Schwerpräzisionsindustrie. Eine praxisgerechte Lösung für Justierprozesse sind in solchen Fällen piezobasierte „Unterlegscheiben“. Einmal in der Maschine eingebaut, lässt sich mit Hilfe dieser Active Shims der Abstand zwischen zwei Bauteilen jederzeit mit Nanometergenauigkeit nachjustieren.

Active Shims mit Nanometerauflösung und Langzeitstabilität: Justage mit piezobasierten „Unterlegscheiben“. Bild: PI

Active Shims mit Nanometerauflösung und Langzeitstabilität: Justage mit piezobasierten „Unterlegscheiben“.

Wenn in Präzisionsmaschinen Komponenten nachträglich justiert werden müssen, sind oft klassische, auf genaue Abstände geschliffene Unterlegscheiben das Mittel der Wahl. Sie haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass sie mechanisch eingebaut werden müssen, oft an schwer zugänglichen Stellen. Der Griff zum Schraubenschlüssel ist hier obligatorisch. Das ist aufwändig und zeitintensiv. Außerdem ist diese Art der Justierung nicht beliebig fein möglich und das einmal festgelegte Maß lässt sich nachträglich nur schwer ändern. Mit den piezobasierten Unterlegscheiben PIRest hat Physik Instrumente hierfür nun eine praxisgerechte Alternative im Programm, die das Justieren deutlich vereinfacht und beschleunigt. Aufgrund der hohen Auflösung der Aktoren von wenigen Nanometern schließt das Anwendungen nicht nur im klassischen Maschinenbau ein, sondern beispielsweise auch die Justage von optischen Komponenten in der Astronomie, Materialforschung in Synchrotrons, in Vakuumumgebungen oder in der Halbleiterfertigung.

Set and forget

Die piezobasierten „Unterlegscheiben“ werden bereits bei der Konstruktion einer Maschine eingebaut; dabei sind sie – genauso wie andere Piezo-Aktoren des gleichen Herstellers – in nahezu beliebige Formen und Größen erhältlich. Bild: PI

Die piezobasierten „Unterlegscheiben“ werden bereits bei der Konstruktion einer Maschine eingebaut; dabei sind sie – genauso wie andere Piezo-Aktoren des gleichen Herstellers – in nahezu beliebige Formen und Größen erhältlich.

Die piezobasierten Unterlegscheiben werden bereits bei der Konstruktion einer Maschine eingebaut; dabei sind sie – genauso wie andere Piezo-Aktoren des gleichen Herstellers – in nahezu beliebige Formen und Größen erhältlich, z.B. als Platten, Ringe, Zylinder oder auch in anwendungsspezifischen Formen. Sie werden ebenso wie die in industriellen Einsätzen aufgrund ihrer Langlebigkeit bewährten PICMA-Aktoren in der patentierten Multilayer-Technologie hergestellt.

Keramisch isolierte PICMA-Piezoaktoren in unterschiedlichen Bauformen: langlebig auch unter erschwerten Einsatzbedingungen. Bild: PI

Keramisch isolierte PICMA-Piezoaktoren in unterschiedlichen Bauformen: langlebig auch unter erschwerten Einsatzbedingungen.

Hier ist die eigentliche Piezokeramik – ein monolithischer Block, dessen aktive Schichten aus dünnen keramischen Folien bestehen – von einer vollständig keramischen Isolierschicht umgeben. Diese schützt vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom. In Industrie, Life-Science und Mikroskopie ebenso wie in Medizintechnik und Forschung beweisen die Multilayer-Aktoren immer wieder ihre Qualitäten; es sind keine Ausfälle im Feld zu beobachten. Der monolithische Piezokeramikblock eines PICMA-Aktors erreicht selbst unter extremen Umgebungsbedingungen, wie z.B. in der Raumfahrt, eine besonders hohe Zuverlässigkeit und erhöht die Lebensdauer um mehrere Größenordnungen.

In einem Punkt unterscheiden sich die neuen PIRest-Aktoren jedoch deutlich von diesen „normalen“ Piezoaktoren, die fürs Nachjustieren nicht geeignet sind. Bei klassischen Piezoaktoren muss normalerweise die elektrische Spannung (Offset-Spannung) am Aktor aufrechterhalten werden, solange man die Auslenkung wünscht. Das hat fürs Justieren gleich zwei Nachteile: Bei der Ausstattung der Maschine müsste hierfür eine zusätzliche stabile Spannungsversorgung vorgesehen werden und die Lebensdauer der Aktoren würde leiden. Deshalb arbeitet die PIRest-Technologie hier anders: Sie basiert zwar ebenfalls auf Piezoaktoren, jedoch halten diese durch eine besondere Ansteuerung ihre Auslenkung nach der Justierung stabil und nanometergenau auch ohne Offset Spannung.

Active Shims mit Nanometerauflösung und Langzeitstabilität

Piezobasierte, aktive „Unterlegscheiben“ (Active Shims) können Justagefehler einfach und ferngesteuert ausgleichen, ohne dass eine permanente Ansteuerspannung erforderlich ist. Bild: PI

Piezobasierte, aktive „Unterlegscheiben“ (Active Shims) können Justagefehler einfach und ferngesteuert ausgleichen, ohne dass eine permanente Ansteuerspannung erforderlich ist.

Der statische Abstand lässt sich durch kurzzeitiges Anlegen einer Versorgungsspannung am PIRest-Aktor einstellen. Dafür ist im Active Shim ein Spannungsanschluss vorgesehen, der lediglich beim jeweiligen Justageprozess an eine Spannungsquelle angeschlossen werden muss. PI bietet für diesen Prozess eine einfach zu verwendende Spannungsversorgung mit der passenden Ansteuerung an. Die dafür notwendigen Kabel können bereits beim Design der Maschine berücksichtigt werden und sind damit permanent im System verlegt.

Set-and-Forget: Bei der Installation von Maschinen kann es zu initialen Settlingprozessen kommen, die beim Überschreiten einer Toleranzschwelle, eine einmalige Nachjustierung von Maschinenkomponenten erforderlich macht. Bild: PI

Set-and-Forget: Bei der Installation von Maschinen kann es zu initialen Settlingprozessen kommen, die beim Überschreiten einer Toleranzschwelle, eine einmalige Nachjustierung von Maschinenkomponenten erforderlich macht.

Nach dem Justieren wird dann die gewünschte Position ohne Spannung langzeitstabil gehalten, die Spannungsversorgung kann entfernt werden. Die Stabilität der Auslenkung hängt lediglich von der Änderung der Umgebungstemperatur ab. Langzeittests in einer auf 1 K temperaturstabilen Umgebung haben für einen Aktor mit 10 µm Nominalhub Driften von weniger als +/- 100 nm gezeigt, unabhängig von der Auslenkung. Bei Standardprodukten liegt die maximale Auslenkung je nach Größe des Aktors zwischen 5 und 35 µm; durch geschickte Kombinationen der Active Shims ist die Ausrichtung in bis zu sechs Achsen möglich. Als Option können die Aktoren zudem mit einem Temperatursensor ausgestattet werden.
Besonders die Justage an unzugänglichen Stellen vereinfacht sich durch die Aktive Shims erheblich, zumal die piezobasierten Unterlegscheiben selbst tonnenschwere Lasten halten können. Bei Bedarf lassen sich die Active Shims zudem mit klassischen Piezoaktoren kombinieren, z.B. für eine dynamische Schwingungskompensation. Typische Anwendungen für solche hybriden Systeme sind beispielsweise das Nachstellen der Brennebene während eines optischen Mess- oder Scanvorgangs sowie die Steuerung eines Laserstrahls in der Messtechnik oder Materialbearbeitung.

Über Physik Instrumente
Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe ist Markt- und Technologieführer für hochpräzise Positioniertechnik und Piezo-Anwendungen in den Marktsegmenten Halbleiterindustrie, Life Sciences, Photonik und Industrieautomatisierung. In enger Zusammenarbeit mit Kunden aus aller Welt verschieben die rund 1.300 Spezialisten von PI seit 50 Jahren immer wieder die Grenzen des technisch Möglichen und erarbeiten von Grund auf maßgeschneiderte Lösungen. Mehr als 350 erteilte und angemeldete Patente unterstreichen den Führungsanspruch des Unternehmens. PI ist mit sechs Fertigungsstandorten sowie 15 Vertriebs- und Serviceniederlassungen in Europa, Nordamerika und Asien weltweit vertreten.

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Dr. Mathias Bach

Produktbereichsleiter Piezosysteme bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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