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Ob extrem präzise, dynamisch oder robust – für die Lasertechnik bietet Steinmeyer Mechatronik eine Vielzahl an Positionierlösungen. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen hatte die Dresdner Positionierspezialisten mit einem besonders herausfordernden Projekt betraut: der Entwicklung einer Montagestation mit Positionsstabilität im Nanometerbereich.

Motoren & Antriebstechnik

Für die Lasertechnik bietet Steinmeyer Mechatronik ein breites Spektrum an innovativen Positionierlösungen
Für die Lasertechnik bietet Steinmeyer Mechatronik ein breites Spektrum an innovativen Positionierlösungen
Maximale Positionshaltegenauigkeit dank Luftlagern: Für das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt Steinmeyer Mechatronik eine Montagestation mit Nanometer-Stabilität
Maximale Positionshaltegenauigkeit dank Luftlagern: Für das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt Steinmeyer Mechatronik eine Montagestation mit Nanometer-Stabilität
An der Z-Achse sorgt ein Kugelgewindetrieb mit Schrittmotor für hohe Steifigkeit und einen hohen Wirkungsgrad
An der Z-Achse sorgt ein Kugelgewindetrieb mit Schrittmotor für hohe Steifigkeit und einen hohen Wirkungsgrad

Grundvoraussetzung für ein optimales Ergebnis beim Einsatz von Lasertechnik ist eine exakte Ausrichtung bzw. Positionierung. „Oft entscheidet die Kombination aus hoher Dynamik
und gleichzeitig hoher Wiederholgenauigkeit über den Erfolg“, weiß Elger Matthes, Entwicklung- und Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik, und ergänzt: „Um Verschmutzungen auf den Optiken zu vermeiden, müssen Positioniersysteme für Laseranwendungen zudem hohe Reinheitsanforderungen erfüllen.“ 

Leistungsstarke Positionierlösungen für die Lasertechnik 

Steinmeyer Mechatronik gehört weltweit zu den führenden Herstellern von hochgenauen Positionierlösungen für optische und feinmechanische Systeme. Für die Lasertechnik bietet das Dresdner Unternehmen Systeme, die den anspruchsvollen Aufgaben vollauf gerecht werden. Zur Kernkompetenz gehört dabei neben der Fertigung von Standardprodukten die Realisierung individueller Sonderprojekte. Gemeinsam mit dem Kunden entwickeln die Positionierexperten innovative, auf die jeweilige Anwendung exakt zugeschnittene Konzepte. „Die jahrelange Erfahrung in diesem Bereich hat uns gezeigt, dass nur ein perfekt aufeinander abgestimmtes System den gewünschten Erfolg bringt“, betont Matthes. Neben Systemen, die Optiken, laseroptische Baugruppen, Fokus- und Spiegelablenkeinheiten sowie Lasersicherheitselemente in die richtige Position bringen, gehören daher auch weitere entscheidende Komponenten zum Portfolio. Dazu zählt ein eigens für die Industrie entwickelter Laserbohrkopf. Diese Trepanieroptik ermöglicht das Bohren von Mikrolöchern mit genau definierten Geometrien.

Montagestation mit Nanometer-Stabilität

Ein Beispiel für die hohe Innovationskraft und Lösungskompetenz der Dresdner ist die Entwicklung einer Montagestation mit Nanometer-Stabilität für das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Zur aktiven Messung der Methan-Konzentration in der Erdatmosphäre haben die Aachener Laserspezialisten einen Laser konzipiert, der im deutsch-französischen Satelliten MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR-Mission) zum Einsatz kommen soll. Das Lasersystem besteht aus einer Vielzahl von Einzelteilen, die mittels einer innovativen Löttechnik, dem Optik-Löten, miteinander verbunden werden. Für die Reise ins All bietet das neuartige Fügeverfahren entscheidende Vorteile: Die feste Verbindung hält selbst hohe Stöße und Vibrationen bis zum 25-fachen der Erdbeschleunigung mühelos aus und verschafft der sensiblen Lasertechnik so die nötige Robustheit, um den ruckeligen Raketenstart unbeschadet zu überstehen. Zudem wird kein Klebstoff verwendet. So können keine Gase austreten, die die empfindlichen Spiegelflächen verunreinigen könnten. 

Stabilität nicht von dieser Welt

Um die verschiedenen Komponenten des Lasers punktgenau miteinander zu verbinden, müssen sie im Strahlengang justiert und mit Submikrometer-Präzision fixiert werden. „Unsere Aufgabe war es, ein ausgasfreies System zum Ausrichten und Halten der einzelnen optischen Elemente zu entwickeln“, so Matthes. „Die größte Herausforderung stellte dabei die geforderte Positionsstabilität dar. Lediglich Abweichungen von maximal 50 nm waren erlaubt.“ Das von Steinmeyer Mechatronik konstruierte zweifache 4-Achs-System (XYZ-Phi) bringt die zu verbindenden Teile grob in Position und fixiert sie dann so, dass sich absolut nichts mehr bewegen kann. Schlussendlich übernimmt ein Hexapod die Feinpositionierung im Submikrometer-Bereich, bevor der Lötprozess beginnen kann.

Die Luft muss raus

Die Stabilität eines Positioniersystems wird von vielen Faktoren beeinflusst. Dazu gehören Regelschwingen, Setzungseffekte, Verdrängen von Schmierstoff, Eigenfrequenz sowie Quereinkopplungen anderer Achsen. Für absoluten Stillstand müssen all diese Einflüsse ausgeschaltet werden. Doch wie? Die Lösung von Steinmeyer Mechatronik ist so einfach wie wirkungsvoll: festklemmen – und zwar mittels Luftlagern. „Luftlager werden normalerweise nicht mit Schwergängigkeit und Stabilität assoziiert, sondern stehen für sanfte, gleitende Bewegungen und extrem gute Ablaufwerte“, erklärt Elger Matthes. Der Trick: Die Luft muss raus. „Entlüftet man die Lager kontrolliert, dann erhält man ein unglaublich ruhiges System. Mit relativ einfachen Methoden erreichen wir so Stabilität im Nanometerbereich.“ Also wurden die X- und Y-Achsen mit luftgelagerten Schlitten ausgestattet. Sobald das System positioniert ist, wird es durch Ablassen der Luft aus den vertikalen Lagern abgesenkt und mittels Entlüften der horizontalen Lager fixiert. 

Antriebe für den Stillstand

Um eine Entkoppelung des Antriebes von den Führungen zur realisieren, werden die horizontalen Achsen über Zahnriemen angetrieben. Diese weisen nur in Bewegungsrichtung eine gewisse Steifigkeit auf und haben so keinerlei Auswirkungen auf die Stabilität des Gesamtsystems. Für die Vertikale wurde ein Kugelgewindetrieb mit Schrittmotor gewählt. „Dank seiner Selbsthaltung im Vollschritt trägt der Schrittmotor optimal zur Stabilität bei“, so Matthes. „Von Vorteil sind außerdem die hohe Steifigkeit des Kugelgewindetriebs sowie der hohe Wirkungsgrad zum Heben der Lasten.“ Die Drehbewegung übernimmt ein Schneckendrehtisch. Dieser ist selbsthemmend und sehr steif. In Kombination mit einem Schrittmotor wird so auch an der vierten Achse absoluter Stillstand erreicht, sobald die Luftlager entlüftet wurden. Das Ergebnis: eine Positionshaltegenauigkeit von 0,05 μm – nachgewiesen mit einem kapazitiven Sensor im fertig montierten System.

Maximal flexibel und optimal geschützt

Für einen zweiten Hexapoden ist eine zweite Y-Traverse mit Z-Achse und Drehachse vorgesehen. Beide Y-Traversen können aus dem Arbeitsbereich herausgefahren werden und gewährleisten so maximale Zugänglichkeit. Darüber hinaus erleichtert ein Durchbruch in der Stützwand den Zugang zum Bauteil von allen Seiten. Da das Löten mit einem UV-Laser durchgeführt wird, wurden alle Aluminiumteile mit einer Bilathal-Beschichtung versehen. Diese absorbiert die ultraviolette Strahlung und minimiert die Streustrahlung. Zum Schutz der optischen Flächen vor Verunreinigungen wurden außerdem alle Partikelquellen mit Blechen umhaust und ausschließlich ausgasfreie Schmierstoffe verwendet.

Alles aus einer Hand

Wie alle Produkte von Steinmeyer Mechatronik wurde auch das Positioniersystem für das Fraunhofer ILT im eigenen Haus entwickelt und produziert. Am Standort Dresden arbeiten alle Abteilungen eng zusammen. So können Synergien optimal genutzt und spezifische Kundenanforderungen schnell und unkompliziert realisiert werden. Die Montage erfolgte im firmeneigenen Reinraum durch speziell geschultes Personal. 

Positioniertechnik mit Strahlkraft 

Die Grenzen des Machbaren neu definieren: Dieser Herausforderung stellen sich die Positionierexperten von Steinmeyer Mechatronik – mit Erfolg, wie das Beispiel der Montageeinheit für das Fraunhofer ILT zeigt. Umfassende Branchenkenntnisse und die langjährige Expertise kommen den Dresdnern dabei ebenso zugute wie flexible Produktionsprozesse und modernste Fertigungstechnik. So wird das Unternehmen der Vielfalt der Anwendungen sowie den anspruchsvollen Positionieraufgaben im Bereich Lasertechnik optimal gerecht.

Veröffentlicht am September 13, 2021 - (158 views)
Steinmeyer Mechatronik GmbH
Fritz-Schreiter-Str. 32
01259 Dresden - Germany
+49- 351 88585-0
+49- 351 88585-25
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