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Positioniersysteme Die Grenzen des Machbaren verschieben

Gegründet vor 50 Jahren hat sich Physik Instrumente (PI) mit piezobasierten Nanopositioniersystemen und Hexapoden längst einen Namen gemacht. Geschäftsführer Markus Spanner erklärt, was diese Produkte einzigartig macht, wie sie eingesetzt werden und wohin die Reise geht.

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Markus Spanner
Markus Spanner
(Bild: Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG)

konstruktionspraxis: PI feiert 2020 50-jähriges Bestehen. Wie hat alles begonnen?

Markus Spanner: Begonnen hat die Unternehmensgeschichte vor 50 Jahren: Physik Instrumente (PI) wurde als Spin-off aus dem Max Planck Institut für Quantenoptik in München gegründet. Sieben Jahre danach wurde die Firma von den heutigen Gesellschaftern übernommen. Seitdem entwickelte sich PI vom Hersteller von Komponenten für optische Aufbauten zur Laserstrahlführung und von Nano-Positioniergeräten hin zum Lösungsanbieter mit breitem Produktportfolio und Technologiespektrum.

Der Experte

Markus Spanner führt seit Anfang des Jahres 2020 die Geschäfte von Physik Instrumente (PI). Der 41-Jährige trägt seit elf Jahren Führungsverantwortung bei PI, zuletzt als Kaufmännischer Geschäftsführer. Physik Instrumente (PI) beschäftigt weltweit mehr als 1300 Mitarbeiter und ist mit 15 Standorten in Europa, Nordamerika und Asien vertreten. Das Unternehmen ist führend bei Technologien für hochpräzises Positionieren in High-Tech-Branchen wie Halbleiterindustrie, Life Sciences, Photonik und Industrieautomatisierung.

konstruktionspraxis: Wie steht das Unternehmen heute da, wo liegen seine Schwerpunkte?

Spanner: Heute beschäftigt PI weltweit ca. 1300 Mitarbeiter und machte im Jahr 2019 einen konsolidierten Umsatz von über 180 Mio. Euro. Der Schwerpunkte geht zunehmend in Richtung Industrieautomatisierung, weil sich dort die Anforderungen dahin entwickeln, wo unsere Kernkompetenzen bereits liegen. Wir bewegen uns auf diesen Markt zu, um die Anforderungen optimal erfüllen zu können und optimieren unsere Produkte, um auch hier unseren Kunden effiziente High-Tech-Lösungen anbieten zu können.

Konstruktionspraxis-Podcast

Folge 1: Hexapoden

Der konstruktionspraxis-Podcast, das Fachmagazin zum Hören, informiert schnell und unterhaltsam über spannende Technikthemen. In dieser Folge reden wir mit Markus Spanner, Geschäftsführer von Physik Instrumente (PI), über Hexapoden.

konstruktionspraxis: Was waren und sind die Produkt-Highlights von PI in den letzten 50 Jahren?

Spanner: Einzigartig sind unsere piezobasierten Nanopositioniersysteme, mit denen wir es vielen unserer Kunden ermöglicht haben, technologische Grenzen zu durchbrechen. Um uns von dem am Markt verfügbaren Komponenten unabhängig zu machen, haben wir 1992 die PI Ceramic GmbH mit Sitz in Lederhose, Thüringen, gegründet. PI Ceramic hat inzwischen eine hohe Marktdurchdringung im Bereich der piezokeramischen Bauelemente und Aktoren. Außerdem zählen die legendären Hexapoden, die wir bereits in den 90er-Jahren entwickelt haben, zu unseren Erfolgen. Bei den Hexapoden reicht unser Spektrum von handtellergroßen Ausführungen bis hin zu Systemen, die zehn Tonnen positionieren können.

konstruktionspraxis: Sie haben die Hexapoden angesprochen. Was genau verbirgt sich hinter diesen Produkten?

Spanner: Hexapoden sind „Roboter“ oder Systeme, die in sechs Freiheitsgraden positionieren können. Das Besondere dabei ist ihr parallelkinematischer Aufbau. Bei Hexapoden gibt es nur eine bewegte Plattform, auf die sechs längenveränderliche Aktoren gleichzeitig wirken. Das sorgt für eine hohe Gesamtsteifigkeit des Systems bei gleichzeitig geringer bewegter Masse. Daraus resultieren eine hohe Dynamik, eine hohe Bahntreue und eine hohe Wiederholgenauigkeit für alle Bewegungsachsen. Gleichzeitig ermöglicht diese Konstruktion einen deutlich kompakteren Aufbau als dies bei gestapelten Systemen der Fall ist. Ein wesentlicher Vorteil der Hexapoden ist auch, dass der Anwender den Pivotpunkt, also den Drehpunkt, frei definieren kann.

konstruktionspraxis: Wann kommen die Sechsbeiner idealerweise zum Einsatz?

Spanner: Hexapoden kommen dann zum Einsatz, wenn es darum geht, auf kompakten Bauraum mit hoher Präzision in sechs Freiheitsgraden zu bewegen und zu positionieren und die Stellwegsanforderungen nicht allzu hoch sind.

konstruktionspraxis: Können Sie einige Anwendungen beschreiben?

Spanner: Entsprechend der unterschiedlichen Ausführungen sind die Anwendungsgebiete der Hexapoden sehr vielfältig. Begonnen hat es in der Astronomie mit der Ausrichtung der Spiegel von Teleskopen. Heute sehen wir zunehmend Schwerpunkte in der Industrieautomatisierung als „On-Top-Ergänzung“ bei Schwenkarmrobotern für erhöhte Präzision oder in der Bewegungssimulation zur Qualifikation von Sensorik und Bildstabilisierungsalgorithmen. Eine spannende Anwendung ist der Test und das Packaging von Komponenten in der Siliziumphotonik. Dies erfordert Justagemechanismen, die nanometergenau arbeiten. Da visuelle oder mechanische Referenzen nicht präzise genug sind, muss die Optimierung über das optische Signal selbst erfolgen. Diese Komponenten sind oft mit mehreren Ein- und Ausgängen und parallelen optischen Pfaden ausgestattet, die jeweils interagieren und gleichzeitig optimiert werden müssen, um Zeit zu sparen und oft auch, weil serielle Optimierung wegen der optischen Gegebenheiten nicht zum Ziel führt. Eine ausreichende Lösung hierfür fehlte bislang. Mit unserer jahrzehntelangen Erfahrung als Präzisionslieferant für die Halbleiterindustrie haben wir ein System entwickelt, das die Anforderungen an die parallele optische Ausrichtung in mehreren Freiheitsgraden erfüllt – für die Massenherstellung sogenannter SiP-Komponenten ein entscheidender Schritt nach vorne. Das FMPA (Fast Multi-Channel Photonics Alignment) System basiert auf der Kombination eines Hochgeschwindigkeits-Piezoscanners, eines Mikrostellsystems (XYZ oder 6-Achsen-Hexapod) und eines Hochleistungscontrollers mit firmware-basierten Routinen für die optische Ausrichtung.

konstruktionspraxis: Wie aufwändig ist die Implementierung von Hexapoden und wann rechnet sich ihr Einsatz?

Spanner: Die Implementierung ist einfach, da der Hexapod über normale Koordinatensysteme angesteuert werden kann. Die Transformationsberechnungen für die Parallelkinematik finden im Controller statt. Zudem unterstützen wir moderne Industrieschnittstellen wie z.B. Ethercat für die Integration übergeordneter Steuerungen. Unsere Applikationsingenieure helfen bei der Implementierung und Inbetriebnahme. Im genannten Beispiel ist der Hexapod eine wichtige Grundvoraussetzung. Der Kundennutzen entsteht in Kombination mit unserer Software: Die Systeme werden so angesteuert, dass sie die Prüfprozesse rund zehnmal schneller bewältigen als herkömmliche Lösungen. Das sind deutliche Einsparungspotentiale bei den Kunden und deren Anwendungen.

konstruktionspraxis: Welche Trends sehen Sie im Markt für Positioniersysteme, speziell bei Hexapoden?

Spanner: Mehr Präzision, kombiniert mit höheren Durchsatzraten und extremen Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Hexapoden werden immer kleiner und müssen besonders den Anforderungen in der Industrieautomatisierung standhalten.

konstruktionspraxis: Welche Vision verfolgt PI, wohin geht die Reise?

Spanner: PI ist ein Unternehmen, das sich stets bewegt und weiterentwickelt. Der Drang nach Innovation und Kollaboration ist tief in unserer DNA verwurzelt. Wir erreichten im letzten Jahr Rang 3 der Hidden Champions des Handelsblatts. Reden wir von höheren Durchsatzraten und der Integration hochpräziser Achsen und Subsysteme, ist zunehmend Prozessverständnis und enge Kooperation mit dem Kunden notwendig. Dafür sind wir aufgestellt. Wir sind neugierig, unternehmerisch und offen für Neues. Wir verschieben die Grenzen des technisch Machbaren und befähigen den Kunden, überlegene Lösungen am Markt zu platzieren.

konstruktionspraxis: Vielen Dank Herr Spanner.

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