Der Gesamtaufbau saß auf einem Granitplateau an einer der Strahlungslinien von Bessy II.
Foto: Piezomotor

Antriebs- und Steuerungstechnik

Magnetismus an Schaltungen dreidimensional sichtbar machen

Für ein Experiment am Elektronenspeicherring Bessy II sollte der Magnetismus an Schaltungen sichtbar gemacht werden - und zwar dreidimensional.

Sonderauftrag im Dienst der Forschung: Wie kann in lebendigen Schaltungen der Magnetismus auf dreidimensionaler Ebene sichtbar machen? Für diese Experiment am Elektronenspeicherring Bessy II in Berlin war Steinmeyer Mechatronik beauftragt, einen Probenmanipulator zu entwickeln. Der musste nicht nur flexibel und hochpräzise sein, sondern auch Vakuum und Magnetismus trotzen. Das Unternehmen setzte für die herausfordernde Aufgabe Antriebe von Piezomotor ein.

Für das Experiment benötigten die Wissenschaftler extrem brillantes Röntgenlicht, wie es die Synchrotronstrahlungsquelle Bessy II erzeugt. Diese Lichtquelle können Forscher auf der ganzen Welt für ihre Experimente nutzen, um zum Beispiel Solarzellen, Materialien für die solare Wasserstofferzeugung oder Quantenmaterialen zu untersuchen. An den Strahlrohren seitlich des Speicherrings stehen ihnen dafür modernste Spektroskopie- und Mikroskopie-Methoden zur Verfügung.

Experiment am Elektronenspeicherring Bessy II: Magentismus in 3D

„Das so genannte RICXS-Experiment bestand aus einem größeren Aufbau mit mehreren Elementen: unter anderem einem Probenmanipulator, einer Kamera nebst Führung und einer Probenfixierung“, erklärt Elger Matthes, Leiter Produktmanagement bei der Steinmeyer Mechatronik GmbH. Das Unternehmen ist Spezialist für präzise Positionieraufgaben und bietet Produkte und kundenspezifische Lösungen für individuelle Aufgabenstellungen. Im Fokus von Steinmeyer Mechatronik stehen die Entwicklung und Fertigung von OEM-Serien sowie komplexer Mehrachssysteme, aber auch Einzelanfertigungen für Experimentalaufgaben wie etwa die der Berliner Forscher.

Für das RICXS-Experiment sollte ein 5-Achsmanipulator geschaffen werden, der eine auf einer Säule fixierte elektronische Schaltung in das Magnetfeld eines supraleitenden Vektormagneten hob, wo sie einer intensiven Lichtquelle ausgesetzt wurde. „Die gestreute Strahlung wurde mit einer umkreisenden Kamera erfasst, die daraus dreidimensionale Bilder zusammensetzte“, erklärt Matthes das Prinzip. Da hierfür ein bestimmtes, sehr kurzwelliges Spektrum der Röntgenstrahlung benötigt wurde, funktionierte das Experiment nur im Ultrahochvakuum bei 10E-8mbar.

Passender Antrieb: Schaltungen sind eine herausfordernde Umgebung

Der Partner für diese Aufgabe war für Steinmeyer Mechatronik schnell klar: Mit Piezomotor aus Schweden arbeitet das Unternehmen bereits seit mehr als 15 Jahren erfolgreich zusammen. „Wir wenden Piezomotoren immer dann an, wenn es um sehr hohe Auflösungen und Genauigkeiten geht, wenn außerdem sehr kleine Schritte gestellt werden müssen und trotzdem ein großer Verfahrweg benötigt wird“, erzählt Matthes. Piezomotoren nutzen Piezoelektrizität, um eine Bewegung zu erzeugen. Wird an ein piezoelektrisches Material eine Spannung angelegt, dehnt es sich aus. Das Unternehmen Piezomotor hat so genannte Piezo-Legs entwickelt, Beine aus Keramik, die sowohl verlängert als auch seitlich gebogen werden können. Dadurch startet eine Bewegung im Submikrometer- bis Nanometerbereich. Die Aktoren halten die Position mechanisch stabil, sind also selbsthemmend, und verbrauchen im ausgeschalteten Zustand keine Energie.

Foto: Piezomotor
Grundidee des Probenmanipulators war die Verwendung von Piezomotoren in Kombination mit Seilen – hier im Vordergrund gut zu erkennen, wie das an der Antriebsstange befestigte Seil aus Aramid-Fasern zu einer Feder geleitet wird.

Vorteil der Piezomotoren ist, dass sie weder Schmiermittel benötigen noch Abrieb oder Ausdunstungen verursachen. Dadurch sind sie perfekt geeignet für einen Einsatz im Vakuum. Da sie ohne Wicklungen eines Elektromotors keine Quelle für magnetischen Fluss sind und sich davon auch nicht stören lassen, sind sie darüber hinaus für Einsatzgebiete geeignet, bei denen herkömmliche Motoren unangenehme Wechselwirkungen verursachen würden. Piezomotor bietet vollständig unmagnetische Motoren an. „Extremer Magnetismus in Kombination mit Ultrahochvakuum sind herausfordernde Ansprüche für herkömmliche Motoren“, bekräftigt Elger Matthes von Steinmeyer Mechatronik. „In Kombination mit den besonderen Anforderungen an die Präzision, die hier gefragt war, konnten wir dies mit den Piezomotoren hervorragend lösen.“
Seile für eine flexible Bewegung mit fünf Achsen

Entstanden ist in einjähriger Entwicklungszeit ein 5-Achsmanipulator für kleine Stellwege, der mit sechs Linearmotoren von Piezomotor arbeitet. Die Plattform, auf der die Probe später dem Magnetismus ausgesetzt ist, wird in sechs Feder-Seilpaare geklemmt. Die Seile kamen zum Einsatz, da für die Installation nur so viel Platz zur Verfügung stand wie in einem Schuhkarton. Dank der Seile konnten die Konstrukteure nun die Kraft um Ecken leiten. Die sechs Seilpaare bestimmen die Lage der Plattform im Raum: Wird an den Seilen gezogen, bewegt sich die Plattform entsprechend. Die Seile übertragen die Stellkraft, während die Feder die Gegenkraft erzeugt und die Gewichtskraft kompensiert. „Es funktioniert wie ein Marionettentheater“, sagt Matthes. „Die Seile waren die geniale Idee unseres Kunden: Mit ihnen lassen sich auch unter größtem Platzmangel komplexe Mechanismen bauen, die mit Nanometer-Auflösung und -Stabilität funktionieren.“

Foto: Piezomotor
Insgesamt sechs Antriebe steuerten die Plattform auf der Säule, die anschließend in den 1,7

Tesla starken Magneten ragte und von extremen Röntgenlicht angestrahlt wurde.

Die Piezomotoren bieten eine mechanische Auflösung von wenigen Nanometern bei unbegrenzten Wegen und enormer Steifigkeit. Während bei Elektromotoren stets geregelt werden muss, damit der Motor spielfrei funktioniert, liefern Piezomotoren dies direkt mit. Während die Antriebsstange im Motor stets in direktem Kontakt zu den Piezoelementen steht, bewirkt die Reibungskopplung zwischen den Schenkeln und der Antriebsstange absolute Spielfreiheit, extrem kurze Reaktionszeit und hohe Auflösung. Da darüber hinaus Klemmen und Bewegung von denselben Aktoren übernommen werden, ist die starke Verriegelung ohne Leistungsaufnahme bei Stillstand gewährleistet. Die Positionskontrolle der Proben in dem preisgekrönten RICXS-Experiment übernahmen sechs kapazitive Sensoren. „Die Motoren machen Schritte“, erklärt Elger Matthes, „aber die Schrittlänge variiert. Die Sensoren messen die Abstände der Schritte und kontrollieren den Motor. Ein Closed-Loop-Betrieb ist notwendig.“

Der Aufbau des komplexen Systems dauerte ein weiteres Jahr bis zur Inbetriebnahme. Antriebe von Piezomotor kamen beim RICXS-Experiment auch bei der Röntgenkamerazustellung und der Probenfixierung ins Spiel. Zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten um Magnetismus konnten mit dem einzigartigen Probenmanipulator erfolgreich abgeschlossen werden.