Mikro-Handhabung

Kleines sicher im Griff

Mikrogreifer erschließen die Welt der Mikrobearbeitung
Nicht nur in der Elektronik und Medizintechnik, sondern auch im Maschinenbau schreitet die Miniaturisierung der Produkte voran. Sie birgt für Unternehmen enorme Wachstums-Chancen. Marktstudien schätzen die jährlichen Wachstumsraten der Mikrosystemtechnik auf etwa 20 Prozent – bei einem Marktvolumen von aktuell 30 Milliarden Euro.

Vor diesem bedeutenden wirtschaftlichen Hintergrund entstand das Verbundprojekt „Mimikri“ (Mikrowerkzeug- und Mikromessmaschinen für die prozesssichere Herstellung von Mikrobauteilen), getragen vom WBK, dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik an der Universität Karlsruhe. Ziel des Projekts ist die Bereitstellung von Lösungen für die Maschinen- und Prozesstechnologie zur Fertigung von komplexen, dreidimensionalen Mikrostrukturen in schwer bearbeitbaren Materialien. Auch Schunk ist Partner bei diesem Projekt: Ein Mikroschraubstock, mit dem sich Spannkräfte direkt am Werkstück mit Hilfe von Dehnmessstreifen und einer Auswerte­elektronik messen lassen. Die Spannkraft kann über eine fein verstellbare Spindel im Bereich von null bis zwei Newton stufenlos eingestellt werden. Dadurch wird es möglich, auch hochempfindliche Mikrobauteile aus Glas oder Keramik kontrolliert und parallel zu spannen. Der große Spannbereich von maximal 20 Millimetern und die kompakte Bauform ermöglichen einen universellen Einsatz für industrielle Anwendungen in der Mess- und Medizintechnik.

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Präzision durch Präzision

Bei herkömmlichen Werkzeughaltern mit Schaftdurchmessern unter sechs oder gar unter drei Millimetern trat bisher folgendes Hindernis auf: Die Werkzeughalter waren zu groß und konnten das Werkstück schlecht erreichen. So erwies sich zum Beispiel beim Spannzangenfutter der Außendurchmesser der Überwurfmutter als störend bei der Bearbeitung in sehr kleinen Bereichen.

Die Polygonspanntechnik Tribos-S eignet sich optimal für die Mikrozerspanung. Wie die gesamte Produktfamilie nutzen auch die kleinsten Mitglieder das Prinzip der elastischen Rückstellkräfte des Werkzeughalterstahls zum sicheren und schnellen Spannen der Schaftwerkzeuge. Die Dauerrundlauf- und Wechselwiederholgenauigkeit ist kleiner als drei Mikrometer. Der absolut rotationssymmetrische Aufbau sorgt für eine minimale Grundunwucht. Durch die schlanke Kontur können mit Tribos-S äußert kleine Werkstücke bei schwierigen Umgebungsbedingungen bearbeitet werden. Gespannt werden die Werkzeugschäfte innerhalb von 20 Sekunden mit einer manuellen oder automatischen Spannvorrichtung.

Das sind Vorteile, die sich Schunk selbst zu Nutzen macht. Das Lauffener Unternehmen setzt Tribos-S bei der Bohrbearbeitung von Greiferteilen ein, die aufgrund der Einspannverhältnisse enge Bearbeitungsfreiräume aufweisen. Durch die schlanke Störkontur kann Tribos-S das Werkstück sehr gut bearbeiten. Das Kühlmittel wird durch die Verlängerung SVL hindurchgeführt. Selbst bei einer Bearbeitungsdrehzahl von 15.000 Umdrehungen je Minutewerden gute Maßergebnisse beim Bohren durch die hohe Rundlaufgenauigkeit erzielt. So entstehen Präzisionswerkzeuge durch Präzisionswerkzeuge.

Mikrotechnik in der Automation

Mikrotechnische Produkte stellen eine besondere Herausforderung für die Hersteller von Fertigungs- und Montageanlagen dar. Andreas Hoch, Leiter Vorentwicklung bei Schunk und kommissarischer Vorstandsvorsitzender des VDMA-Fachverbands „Micro Technology“: „Der entscheidende Nachteil dieser speziellen, meist für individuelle Fertigungsverfahren entwickelten Komponenten liegt jedoch darin, dass sie keine einheitlichen Schnittstellen zum übergeordneten Montagesystem und untereinander aufweisen. Sie sind meist für eine Anwendung optimiert und lassen sich nur aufwändig an andere Montagesysteme anpassen.“

Um diesem Manko entgegenzuwirken, erarbeitete der DIN-Ausschuss „Feinmechanik und Optik“ Fertigungsmittel für Mikrosysteme unter Federführung des Forschungszentrums Karlsruhe und der Firma Schunk die DIN 32565. Auf Grundlage dieser Norm wird die Schnittstelle zwischen dem übergeordneten Montagesystem und dem Endeffektor vereinheitlicht und sorgt für eine genaue mechanische Referenzierung und Fixierung des Endeffektors.

Anwendungen in der Mikromontage

Die Vorteile des schnellen Wechselns von Greifwerkzeugen mit Hilfe der Schnittstelle veranschaulicht folgende Anwendung: Ein optoelektronisches Substrat wurde mit rund- und planoptischen Komponenten wie Linsen und Laserdioden bestückt. Für jede Einzelkomponente wird das gleiche Montagesystem verwendet, in diesem Fall Vakuumgreifer. Jeder dieser Greifer ist mit einer adapterseitigen Schnittstelle ausgerüstet und wird während des Montageprozesses in einem Magazin zwischengelagert. Aus diesem kann ein Vierachs-Scararoboter den jeweils benötigten Greifer vollautomatisch einwechseln – und das mit einer Wechselgenauigkeit von 20 Mikrometern.

Beispiel zwei: Komponenten von Schunk werden von der Firma Alphasem im schweizerischen Berg für die Montage von Mikrokameras eingeplant. Durch die freie Mittenöffnung lässt sich die gegriffene Linsenbaugruppe durch ihre optische Achse hindurch vermessen und optimal positionieren. Die Mikrokameras finden ihre Anwendung unter anderem in der Handyindustrie. Der Nutzen für den Kunden: Höhere Stückzahlen und präzisere Kalibrierung im Vergleich zur manuellen Fertigung.

Fazit: Durch die neue Norm DIN 32565 für eine einheitliche Schnittstelle zwischen Montagesystem und Endeffektor kann der Anwender künftig selbst Equipment von unterschiedlichen Anbietern einfach kombinieren. Durch das Mikroschnellwechselsystem lassen sich diese Greif- und Positionierkomponenten flexibel innerhalb des Montageprozesses einwechseln. Dank der Standardisierung werden die Montagekomponenten in höherer Stückzahl und damit günstiger hergestellt.(gm)

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