Neues von der Mikromontage

Innovationstreiber der Herstellung von Mikrosystemen war überwiegend die Halbleiterindustrie, da sich die hohen Kosten nur in Massenmärkten mit großen Stückzahlen rechneten. In den Bereichen kleinerer und mittlerer Stückzahlen setzen sich nun mehr und mehr so genannte hybride, das heißt aus mehreren Teilen verschiedener Werkstoffe bestehende, Mikrosysteme durch. Durch eine effiziente Mikromontage ermöglicht man kostengünstige Systemkomponenten und zwei entscheidende Fortschritte: Zum einen die Kombination optimaler Werkstoffe und zum anderen die Steigerung der Integrationsdichte sowohl monolithischer als auch hybrider Mikrosysteme. Damit ist auch eine Reihe von neuen Herausforderungen verbunden.

Mechanische Kontakte zwischen den fragilen Werkstücken und Betriebsmitteln führen mitunter zu starken Beschädigungen und damit zum Ausfall. Gleiches gilt für die Strukturen und Oberflächen der Teile. Dünne Membranen, nur wenige Mikrometer dick, oder bewegliche Elemente werden durch Kontakt mit Handhabungswerkzeugen häufig beschädigt und damit unbrauchbar. Darüber hinaus werden durch die Entstehung von Defekten Partikel generiert, die durch die Betriebsmittel verschleppt werden. Die Ablagerung von Verunreinigungen auf Systemelementen beeinträchtigt deren Funktion und kann zum Totalverlust führen. Im Bereich der Handhabungstechnik macht sich eine weitere Eigenschaft der Miniaturisierung bemerkbar: die Oberflächenkräfte treten gegenüber den Volumenkräften in den Vordergrund. Wenn die Gewichtskraft durch Auswirkungen der Adhäsion und Elektrostatik übertroffen wird, stoßen herkömmliche Manipulatoren an ihre Grenzen, die Bauteile können nicht mehr abgelegt werden.

Heben mit Ultraschall

Abhilfe schaffen hier neue Technologien für die Materialfluss- und Handhabungstechnik. Am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TU München (iwb) werden Werkzeuge zur berührungslosen Manipulation von großen und kleinen Bauteilen durch den Einsatz von Leistungsultraschall entwickelt. Zwischen der schwingenden Oberfläche eines Schallgenerators und dem Bauteil entsteht ein hoch verdichteter Gasfilm. Das Prinzip und das Tragkraftverhalten sind jenen eines Luftlagers ähnlich. Jedoch kann hier auf die Luftzuführung verzichtet werden, da die Umgebungsluft herangezogen wird. Damit sind Abstände zwischen Werkstücken und Betriebsmitteln im Bereich von 0,5 bis 1 Millimeter möglich. Die Kontaktfreiheit zwischen Werkstücken und Betriebsmitteln schont zum einen die Komponenten und verhindert zum anderen auch das Einwirken von Oberflächenkräften.

Beim Arm abgeschaut

Die Mikropräzisionsmontage verlangt Positioniergenauigkeiten in Bereichen bis zu einem Mikrometer und darunter. Durch Relativpositionierstrategien unter Verwendung von Bildverarbeitungssystemen können Montageanlagen aus Standardkomponenten hohe Positioniergenauigkeiten zwischen 1 und 10 Mikrometer erreichen. Direkt über dem Fügeort wird mit Hilfe der Bildverarbeitung ein Lageregelkreis aufgebaut. Damit kann die im Vergleich zur Wiederholgenauigkeit deutlich bessere Auflösung von Positioniersystemen genutzt werden.

Weitere Steigerungen sind durch die Feinpositionierung eines vom Handhabungssystem unabhängigen Werkzeugantriebs möglich. Das Konzept ist an die Funktionsweise des menschlichen Arms angelehnt, die Vorpositionierung durch den Arm wird von der Hand verfeinert. Den höheren Werkzeugkosten wird durch modularen, variantenflexiblen Werkzeugaufbau begegnet, so dass gleiche Basiskomponenten für verschiedene Aufgaben eingesetzt werden können.

Prof. Michael F. Zäh, Josef ­Zimmermann, Mark Harfensteller, ­Johannes Schilp, Klaus Schlickenrieder (ma)