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Positionierung Punktgenau ins richtige Licht rücken

| Autor / Redakteur: Christoph John / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Um Laserkomponenten punktgenau verbinden zu können, lässt Steinmeyer Mechatronik bei einem Positioniersystem kontrolliert die Luft aus den eingesetzten Luftlagern.

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Für die Lasertechnik bietet Steinmeyer Mechatronik ein breites Spektrum an Positionierlösungen.
Für die Lasertechnik bietet Steinmeyer Mechatronik ein breites Spektrum an Positionierlösungen.
(Bild: ©happyvector071 – stock.adobe.com)

Als Albert Einstein 1916 die stimulierte Emission beschrieb und damit die theoretische Grundlage für den Laser 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 später – 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.

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Lösungen für die Lasertechnik

Steinmeyer Mechatronik ist Experte für hochgenaue Positionierlösungen für optische und feinmechanische Systeme. Für die Lasertechnik bietet das Dresdner Unternehmen Systeme, die den anspruchsvollen Aufgaben gerecht werden. Zur Kernkompetenz gehört dabei neben der Fertigung von Standardprodukten die Realisierung individueller Sonderprojekte.

Laser im Weltall

Die Aachener Laserspezialisten von Fraunhofer haben einen Laser zur Messung der Methan-Konzentration konzipiert, der ab 2021/2022 im deutsch-französischen Satelliten Merlin zum Einsatz kommen soll. Das Lasersystem besteht aus vielen Einzelteilen, die mit Optik-Löten miteinander verbunden werden. Für die Reise ins All bietet das Fügeverfahren entscheidende Vorteile: Die Verbindung hält selbst hohe Stöße und Vibrationen bis zum 25-fachen der Erd-beschleunigung aus.

Montagestation mit Nanometer-Stabilität

Ein Beispiel für die Innovationskraft der Dresdner ist die Entwicklung einer Montagestation mit Nanometer-Stabilität für das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Dieses hat einen Laser für überirdische Aufgaben entwickelt. Um die verschiedenen Komponenten des Lasers punktgenau miteinander zu verbinden, müssen sie im Strahlengang justiert und mit Submikrometer-Präzision fixiert werden.

Optische Elemente sicher fixieren

Das von Steinmeyer Mechatronik konstruierte zweifache 4-Achs-System (XYZ-Phi) bringt die zu verbindenden Teile grob in Position und fixiert sie so, dass sich nichts mehr bewegen kann. Schlussendlich übernimmt ein Hexapod die Feinpositionierung im Submikrometer-Bereich, bevor der Lötprozess beginnt.

Unsere Aufgabe war es, ein ausgasfreies System zum Ausrichten und Halten der einzelnen optischen Elemente zu entwickeln. Die größte Herausforderung stellte dabei die geforderte Positionsstabilität dar. Lediglich Abweichungen von maximal 50 nm waren erlaubt.

Elger Matthes, Entwicklung und Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik

Kontrolliertes Entlüften der Lager für Nanometer-Stabilität

Die Stabilität eines Positioniersystems wird von vielen Faktoren wie Regelschwingen, Setzungseffekte, Verdrängen von Schmierstoff oder Eigenfrequenz beeinflusst. Für absoluten Stillstand müssen all diese Einflüsse ausgeschaltet werden. Die Lösung von Steinmeyer Mechatronik ist so einfach wie wirkungsvoll: festklemmen – und zwar mittels Luftlagern. „Luftlager stehen für sanfte, gleitende Bewegungen und extrem gute Ablaufwerte“, erklärt 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.

Elger Matthes, Entwicklung und Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik

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 Entkopplung des Antriebes von den Führungen zu realisieren, werden die horizontalen Achsen über Zahnriemen angetrieben. Diese haben 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. In Kombination mit einem Schrittmotor wird so auch an der vierten Achse absoluter Stillstand erreicht. 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.

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 arbeiten am Standort Dresden unter einem Dach zusammen. So können Synergien optimal genutzt und spezifische Kundenanforderungen unkompliziert realisiert werden. Die Montage erfolgte im firmeneigenen Reinraum.

„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 Standards, damit die Komponenten ihr Ziel in dem Zustand erreichen, in dem sie unseren Reinraum verlassen haben.“

Gestalten Sie mit uns die konstruktionspraxis!

Die Arbeitswelt verändert sich fortlaufend und mit ihr auch die fachspezifischen Aufgabenstellungen, denen Sie sich Tag für Tag stellen. Hierbei wollen wir Sie mit unserem Fachmedien-Angebot auch zukünftig zielführend unterstützen und Ihnen Inhalte mit echtem Mehrwert liefern.

* Christoph John, Konstruktionsleiter, Steinmeyer Mechatronik

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