Für das Fraunhofer ILT entwickelten wir eine Montagestation mit Positionsstabilität im Nanometerbereich Das ILT hat einen Laser zur Messung der Methan-Konzentration konzipiert, der 2021/2022 im deutsch-französischen Satelliten Merlin zum Einsatz kommt.
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.
Als Albert Einstein 1916 die stimulierte Emission beschrieb und damit die theoretische Grundlage für den Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) lieferte, blickte Steinmeyer Mechatronik bereits auf eine 44-jährige Unternehmensgeschichte zurück. Bis zum Bau des ersten funktionstüchtigen Lasers sollten noch Jahrzehnte vergehen: Erst 1960 waren die Bemühungen von Erfolg gekrönt. Heute – mehr als 100 Jahre nach Einsteins Beschreibung des Phänomens – gehört die Lasertechnik zu den Schlüsseltechnologien und ist aus Industrie, Medizin, Wissenschaft und Alltag nicht mehr wegzudenken. Egal, welche Branche oder Anwendung: Grundvoraussetzung für ein optimales Ergebnis 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 ab 2021/2022 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. An Genauigkeit und Dynamik wurden hingegen keine besonderen Anforderungen gestellt.“ 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. Alle Abteilungen – von der Entwicklung über die Fertigung und Montage bis hin zur Testabteilung – arbeiten am Standort Dresden unter einem Dach eng zusammen. So können Synergien optimal genutzt und spezifische Kundenanforderungen schnell und unkompliziert realisiert werden – egal ob einzelnes Funktionsmuster, Projekte mit Stückzahlen von einigen Dutzend oder Serien mit mehreren tausend Exemplaren im Jahr.
Die Montage erfolgte im firmeneigenen Reinraum durch speziell geschultes Personal. „Auf einer Reinraumfläche von 150 m² sind wir in der Lage, von Einzelbaugruppen bis hin zu Serienkomponenten alles zu fertigen. Die große Fläche erlaubt uns, mehrere Arbeitsplätze parallel zu betreiben und so eine außergewöhnliche Flexibilität zu gewährleisten“, macht Matthes deutlich und ergänzt: „Bei der Verpackung setzen wir auf bekannte Standards. Somit stellen wir sicher, dass die Komponenten ihr Ziel in dem Zustand erreichen, in dem sie unseren Reinraum verlassen haben.“
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.
Autor: Christoph John, Konstruktionsleiter, Steinmeyer Mechatronik
