Komplexe Mikromontage auf dem Weg zur Automation

Von Produktion wird im Allgemeinen gesprochen, wenn entweder ein und dasselbe Bauteil wiederholt hergestellt oder genau einen Veredelungsschritt an einer Baugruppe vollzogen wird. Für solche Arbeiten kann ein Arbeitsplatz optimal eingerichtet, und, wenn man von Automation spricht, eine Maschine optimal konfiguriert und eingestellt werden. So erhält man schnelle und hochverfügbare Automaten. Die AVT von mikrooptischen oder optoelektronischen Produkten bietet zurzeit die Grundlagen für diese Art der Fertigung noch nicht. Dennoch drängen stetig mehr Anwendungen auf den Markt, die ohne Automation nicht bedient werden können.

Die AVT von optischen Baugruppen entstammt dem rein manuellen Handhaben von meist miniaturisierten Komponenten. Waren es in der Regel sehr teure Produkte in geringer Stückzahl, konnte man die einzigartigen taktilen, visuellen, motorischen sowie bewertenden Fähigkeiten des Menschen voll nutzen. Jetzt, da mikrooptische Funktionsgruppen immer näher an den Endverbraucher gelangen (Fahrerassistenzsysteme, Gestenerkennung, Picobeamer), wird die Herstellung aus den Manufakturen in automatisierte Systeme verlegt (Bild 1). Eine Ursachenforschung, weshalb die traditionellen Fertigungsprozesse typischerweise eins zu eins auf Automaten übertragen werden sollen, anstelle sie automatisierungsgerecht zu gestalten, kann an dieser Stelle nicht im Detail erfolgen. Mangelndes Verständnis automatischer Prozesse, Versäumnisse bei der zukunftsweisenden Produktentwicklung oder fehlende Entwicklungsbudgets sind jedoch häufige Ursachen dafür, die vorhanden Potenziale nicht voll auszuschöpfen.

Montage eines Laserdiodenmoduls
Am Beispiel einer mittlerweile typischen Montageaufgabe wird gezeigt, wie komplex ein Fertigungsschritt sein kann, und man bekommt eine Idee davon, welche Anforderungen an eine Maschine heutzutage gestellt werden (Bild 2). Produziert werden soll ein Laserdiodenmodul, das zum einen die Strahlung einer Wellenlänge mehrerer Laserdioden aufsummieren soll. Des Weiteren sollen zwei weitere Wellenlängen aus je einer Laserdiode mit in den gemeinsamen Strahl eingekoppelt werden. Am Ausgang soll der resultierende Strahl in eine optische Faser mit nur wenigen Mikrometern Durchmesser gefädelt werden. Ohne auf Details einzugehen, besteht die Aufgabe also darin, mehrere Linsen zur Rohstrahlformung, mehrere Umlenkspiegel und mehrere Strahlteiler zu justieren und zu platzieren. Stattfinden soll dies in einem Modulgehäuse mit seitlicher Begrenzung, dessen Fläche nicht einmal 5 x 5 cm² groß ist. Die unterschiedlichen Aufgaben werden nicht durch dedizierte Montagezellen erledigt (Bild 3).

Maschine mit hochpräziser Stell- und Regeltechnik
Die optischen Komponenten haben unterschiedliche Abmessungen, stehen unterschiedlich ausgerichtet im Gehäuse und werden mit Klebstoffen gefügt, wobei das Härten der Klebstoffe in der Maschine stattfindet. Die Justage erfolgt aktiv, also während des Betriebs der Laserdioden, basierend auf der Auswertung des jeweiligen Strahlprofils. Das erfordert ein sehr bewegliches miniaturisiertes Strahlanalysesystem. Des Weiteren müssen die Laserdioden individuell betrieben werden. Die Justage findet im Sub-μm-Bereich statt. Damit enthält ein geeigneter Montageautomat neben hochpräziser Stell- und Regeltechnik sowie universeller Greifertechnik auch Treiber- und ausgeklügelte Messtechnik. Spätestens jetzt wird klar, dass eine elektrooptische Baugruppe – wie das Laserdiodenmodul – einen sehr komplexen Montageautomaten erfordert. Industrietauglichkeit sowie die Problematik der Bauteilzuführung sind weitere Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt.

Natürlich kann ein Ensemble derartiger Hightech-Funktionen nur von einer ebenso weit entwickelten Maschinensoftware zu einer sinnvollen Zusammenarbeit überredet werden, ein Umstand, der häufig vernachlässigt und unterbewertet wird.

Flexible Software für jede Anwendung
Die Software muss den Umgang mit Messmitteln beherrschen, auf wechselnde Bildverarbeitungsbedingungen reagieren können und unterschiedliche Auswertealgorithmen anbieten – und das frei konfigurier- und zusammenstellbar.

Auch wenn mittels komplexer Maschinen manuelle Prozesse nachgebildet werden sollen, so ist dennoch ein Umdenken erforderlich. So ist die Methode oder Produktionsreihenfolge, wie man sie bei händischem Vorgehen einhalten würde, nicht immer die geeignete, wenn es um Automation geht. Auch die Anforderungen an das Design der Komponenten unterscheiden sich bei manuellen und automatisierten Prozessen mitunter stark. Ein für einen Werker gut einstellbares Justagegewinde etwa stellt für Automaten nur eine bedingt akzeptable Lösung dar.

Vielleicht kann diese Schilderung aber auch Ansätze dafür liefern, wie aus dem zurzeit noch sehr aufwendigen Vermessen und Ausrichten jedes Bauteils eine passive Montage werden kann, bei der Teile zwar nach wie vor sehr genau, aber lediglich im Hinblick auf ihre Designposition platziert werden müssen. Neuerungen können hier aus den Bereichen Standardisierung der optischen und elektrooptischen Komponenten (ähnlich elektronischen SMD-Bauteilen), präzise Fertigungstechnologien, innovative Fügeverfahren (Self-Alignment) wie auch Algorithmen kommen. Weiterführend sollte auch applikationsübergreifend zum Beispiel über das Entwickeln und Nutzen von üblichen Basisprozessen wie dem Drahtbonden nachgedacht werden.

Ficontec stellt auf der Laser World of Photonics in Halle B2 am Stand 257 aus.

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