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Beim Mehrachssystem Fast 4 PnP wurde erstmals Luftlagertechnik, Verbundmaterialen (CFK) und Granit miteinander kombiniert.
Foto: Jenaer Antriebstechnik
Beim Mehrachssystem Fast 4 PnP wurde erstmals Luftlagertechnik, Verbundmaterialen (CFK) und Granit miteinander kombiniert.

Handhabungstechnik

Dynamisch positionieren mit Leichtbau und Luft

Zum ersten Mal hat das Entwicklungsteam von Jenaer Antriebstechnik Luftlager und Leichtbau-Achse kombiniert. Heraus kam ein dynamisches, präzises Gantry-Positioniersystem.

Es soll die hohen Ansprüche an Genauigkeit und Dynamik erfüllen, wie sie in der Mikroelektronikfertigung gefordert sind. Das Mehrachssystem „Fast 4 PnP“ (Pick-&-Place) von Jenaer Antriebstechnik ist eine Positionier- und Bewegungseinheit, in der Luftlagertechnik, Verbundmaterialen (CFK) und Granit miteinander kombiniert wurden.

Konzipiert ist das System als Gantry, dessen y-Achse in Leichtbauweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigt wurde. Für CFK entschied sich das Entwicklerteam wegen seiner mechanisch und thermisch hohen Belastbarkeit. Gleichzeitig ist es sehr leicht. So wiegt der Carbon-Hohlkörper im Vergleich zu Vollmaterial 75 % weniger. An dieser Achse verfährt ein Schlitten, der ebenfalls aus kohlefaserverstärktem Kunststoff besteht und nur 2 kg wiegt. „Durch den Gewichtsverlust wurde das Mehrachssystem wesentlich dynamischer“, versichert Volker Hille aus dem Business Development von Jenaer.

Für ein reibungsloses Verfahren ersetzten die Entwickler die Wälzlagerführung durch Luftlager. Wälzlager durchlaufen drei Reibungsformen: Haft-, Gleit-, und Rollreibung. Jede davon schränkt die Dynamik des Systems ein. „Die Verwendung von Luftlagern eliminiert die Reibung vollständig, das System wird stick-slip frei bewegt“, so Hille. Es ruckelt also nicht. Das erhöht zusätzlich die Dynamik und auch die Genauigkeit. „Beschleunigungen von 100 m/s2 und höher sind damit umsetzbar“, verspricht Hille.

Das Fundament aus Granit bietet eine hohe thermische Stabilität und eine sehr gute Schwingungsdämpfung. Das Mehrachssystem wurde so konstruiert, dass es wiederholgenau im zweistelligen Nanometerbereich positioniert. Da die Gliederung von Schleppketten beeinflusst jedoch die Genauigkeit. Also haben die Jenaer-Konstrukteure sich für Schleppkettenschläuche entschieden.

Für präzise Konturen und Reinräume

Wofür ist ein solch hohes Maß an Dynamik gut? „Mit dem Mehrachssystem kann man einen Laser hochdynamisch und ultrapräzise verfahren“, sagt Hille. Denn durch die Geschwindigkeit würde das zu bearbeitende Material nicht verbrennen und die Genauigkeit sorge für eine saubere präzise Kontur an Ecken und Radien. „Zusätzlich könnte man simultan arbeiten, also ein weiteres Werkzeug auf der anderen Seite der Achse anbringen und diese gegeneinander laufen lassen“, ergänzt Hille.

 Doch der ursprüngliche Gedanke hieß „Mikrochips“. In der Halbleiterfertigung geht es rasant zu. Fast 4 PnP war bei der Entwicklung für Pick-&-Place-Anwendungen mit kurzen Strecken gedacht, bei denen es auf Beschleunigung ankommt. Schnelles Hochdynamisches positionieren von Chips und Leiterplatten gehören zu seinen Aufgaben. Aber auch, um einzelne Bauelemente auf einem Wafer zu belichten oder in der Leiterplattenbearbeitung beim Microdicing oder -bonden ist es einsetzbar. Bei diesen Produktionsprozessen befinden wir uns im Reinraumbereich. Daher ist das Gantry-System für die Reinraumklasse ISO 5 konzipiert.

Verschleißfrei mit Rundum-sorglos-Paket

 Von der Antriebsregelung bis zur Steuerung wurde alles im eigenen Haus umgesetzt. So waren die Abstimmungswege kurz. „Das Projekt haben wir in der Konzeptionierungsphase in einem Team agile entwickelt“, berichtet Hille. „Viele Methoden, tägliche Meetings und viel Kommunikation haben uns geholfen dieses komplexe Projekt mit dem hohen Technologiegrad erfolgreich umzusetzen.“ Mit dem digitalen Zwilling konnten sie vor Fertigstellung des Systems mit der Inbetriebnahme starten.

Eine Schmierung und regelmäßige Wartung ist nicht nötig, da das System verschleiß- und stick-slip-frei verfährt. Das einzige, was Anwender benötigen, ist ein Druckluftanschluss. Jenaer Antriebstechnik bringt alle weiteren zur Installation notwendigen Elemente selbst mit, vom Kompressor für die Druckluft bis zur Regelungstechnik.

Fast 4 PnP wurde für Pick-&-Place-Aufgaben mit schnellen, präzisen Bewegungen entworfen.
Während die y-Achse aus CFK gebaut wurde, ist der Schlitten luftgelagert.