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Schweben in sechs Freiheitsgraden


Aufgrund von Unebenheiten oder dem mechanischen Spiel der Führungen stößt das Nanopositionieren oft an seine Grenzen. Mit einem System, dessen magnetisch gelagerter Tisch frei schwebt, lassen sich sogar sechs Freiheitsgrade beherrschen. Vorgestellt wird das System auf der Kongressmesse Actuator in Bremen.

Eine Leiterplatte mit 144 Spulen eröffnet die Möglichkeit des Anfahrens jeder Position auf allen sechs Freiheitsgraden im definierten Arbeitsraum.
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Die Sensorik würde höhere Positioniergenauigkeiten zulassen, aber die Mechanik muss passen: Mechanisch gelagerte Positioniersysteme geraten bei besonders anspruchsvollen Aufgaben im Sub-µm-Bereich schnell an ihre Grenzen. Das hat die Entwickler des Karlsruher Unternehmens Physik Instrumente auf die Idee gebracht, den Tisch eines Positioniersystems frei im Raum schweben zu lassen. Auf der Kongressmesse Actuator (13. bis 15. Juni 2016) stellte Dr. Rainer Glöß, der bei PI die Forschung und Entwicklung im Bereich der Hightech-Mechatronik leitet, das neue Nano-Positioniersystem mit sechs Freiheitsgraden vor.

 

Das vorgestellte Positioniersystem ist ein frei im Raum schwebender Tisch, der nur durch Magnetkräfte abgestützt und bewegt wird. Der Positioniertisch mit seinen sechs Freiheitsgraden kann also linear auf der X-, Y- und Z-Achse sowie mit zusätzlicher Rotation um jede dieser Achsen bewegt werden, natürlich mit begrenzten Winkelgraden. Dass dabei im Nanometerbereich positioniert werden kann, setzt neue Maßstäbe beim hoch genauen Positionieren.

 

In der Literatur sind bereits seit rund fünf Jahrzehnten eine Reihe von magnetischen Schwebetechniken beschrieben. Unter dem Begriff ›Maglev‹ wurden Magnetschwebezüge bekannt, aber auch verschiedene Konzepte für planare 2D-Positioniertische. Die mit einer Vielzahl von Spulen ausgestatteten planaren Maglev-Positioniertische kommen zum Beispiel in Wafer-Steppern der Halbleitertechnik zum Einsatz. Diese Systeme bieten Nanometer-Auflösungen, werden über 6-Achs-Interferometrie in ihrer Position überwacht und erreichen eine hohe Positionierstabilität im Raum. Dr. Glöß: »Diese Systeme kosten aber einige Hunderttausend Euro.« Zugleich weist er darauf hin, dass auch aus China, Korea, Kanada und den USA sowie seitens einiger deutscher Universitäten ähnliche Maglev-Positioniersysteme bekannt geworden sind, die jedoch keine nennenswerte Marktdurchdringung in der industriellen Fertigung erreicht hätten.

 

Magnetlager mit besserer Energieeffizienz

PI hatte zusammen mit dem IMMS in Ilmenau vor etwa fünf Jahren ein erstes 6D-Maglev-System entwickelt, das bereits mit Nanometer-Genauigkeit arbeitete. Ziel der neuen ›PI-Mag-6D‹-Struktur war es, ein preisgünstiges System zu schaffen, das trotzdem eine hohe Positioniergenauigkeit im Nanometer-Bereich erreicht. Außerdem sollte das neue System eine höhere Tragfähigkeit bieten. Dafür mussten völlig neue Wege beschritten werden.

 

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Hersteller
Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0
info[at]pi.de
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