Mikrosystemtechnik Kleinste Teile flexibel montieren

Massenproduktion mit neuartigem System füllt die Lücken
Massenproduktion mit neuartigem System füllt die Lücken

Will man statt eines Massenprodukts einzelne Prototypen oder Kleinserien von einigen tausend Stück im Jahr zusammensetzen, dann werden Montageautomaten unwirtschaftlich. Auf der anderen Seite ist manuelle Montage ungenau und mühsam. Ein neuartiges System füllt jetzt die Lücke dazwischen.

Um Hunderttausende oder Millionen von Teilen zu montieren, sind die heutigen Montageautomaten hinsichtlich Geschwindigkeit und Präzision unschlagbar. Ihr Nachteil: Sie sind unflexibel. Das Umrüsten auf eine andere Produktvariante oder gar auf ein ganz anderes Produkt erfordert viel Zeit- und Programmieraufwand. Manchmal will man aber gar keine großen Stückzahlen haben. Für Experimentierzwecke im Labor oder für vorläufige Prototypen braucht man oft nur ein einzelnes Exemplar oder einige wenige. Dafür ist der beste Automat nicht vorgesehen, er wäre hoffnungslos ineffizient. In solchen Fällen gibt es bisher kaum Alternativen zur Handarbeit – bei sehr kleinen Teilen (unter 1 mm wie zum Beispiel Mikrolinsen auf Laserdioden) erfolgt diese sogar mit Pinzette unter dem Mikroskop. Doch der menschliche Tremor steht hoher Präzision entgegen. Eine manuelle Fertigung ist zeitraubend, nur von ausgebildeten Spezialisten durchführbar und selbst dann fällt oft Ausschuss von bis zu 80 % an. Etwas genauer lässt sich mit Justagehilfen wie Spindelantrieben mit Mikrometerschrauben arbeiten, aber auch damit bleibt die Auflösung begrenzt. Was fehlt, ist ein System, das die Lücke zwischen Montageautomat und manueller Arbeit schließt: so präzise wie ein Automat, dabei aber flexibel, intuitiv und einfach zu bedienen. Diese Marktlücke haben Mitarbeiter des universitätsnahen Oldenburger Informatikinstituts OFFIS gesehen und die Microw GmbH gegründet. Das erste Produkt, Microw-Pro, ist eine Mikromontagemaschine, die auf einem normalen Schreibtisch Platz findet. Das Grundgerüst trägt eine kreisförmige Führungsschiene, an der mehrere Arme flexibel positioniert werden können. Jeder dieser Arme trägt ein Werkzeug mit sechs Bewegungs-Freiheitgraden. Der Tausch der Arme dauert nur wenigen Minuten, da hierfür nur zwei Schrauben gelöst werden müssen. Zu den Werkzeugen gehören aktuell ein Zweibackengreifer mit austauschbaren Spitzen, ein Vakuumgreifer, ein Dispenser zum Auftragen von kleinsten Mengen von Klebstoff sowie ein Lötkolben.

Dazu kommen mehrere Kamerasysteme inklusive Beleuchtung: Eine Kamera beobachtet den Arbeitsraum von oben und ermöglicht es, die Position von Werkzeugen und Bauteilen einzuschätzen. Zusätzlich dient eine Kamera an jedem Werkzeugarm zur Prozessüberwachung. Der Arbeitsraum misst 8 × 8 × 6 cm³, das Gesamtgerät ist 52 × 70 × 38 cm³ groß und wiegt 12 kg exklusive Steuerelektronik und PC.

Zur Bewegungssteuerung der Werkzeuge dient im einfachsten Fall ein Gamepad oder auch eine 6D-Maus. In Vorbereitung ist zusätzlich ein haptisches Eingabegerät, das mit eingebauten Sensoren ein Kraft-Feedback ermöglicht, sodass der Bediener ein Gefühl dafür bekommt, wie hart er das Werkstück anpackt. Der Antrieb der Werkzeuge erfolgt piezoelektrisch nach dem Stick-Slip-Prinzip: Der Piezo-Aktor wird mit einem Sägezahnsignal angesteuert. Während der langsamen Flanke wird das gegriffene Teil mitgenommen, während der schnellen bleibt es aufgrund seiner Massenträgheit stehen. So sind bei den Verfahrwegen Auflösungen bis herab zu etwa 100 nm möglich, vorausgesetzt es kommen keine Erschütterungen aus der Umgebung. Die Steuerungs-Software filtert menschliches Zittern und Ermüden heraus; so erhöht sich die Präzision im Vergleich zur manuellen Montage um den Faktor 100. Entsprechend sinkt der Ausschuss. Microw-Pro ist einfach konfigurierbar und an wechselnde Produktionsprozesse und verschiedene Produktvarianten anpassbar. Die Bedienung ist intuitiv; ohne besondere Vorkenntnisse kann man schon nach etwa 15 Minuten erste Schritte durchführen. Zudem lassen sich Prozesse teil- oder vollautomatisieren. Die Anwendungen sind vielfältig; das Hauptaugenmerk liegt auf der Montage von Sensoren oder kleinen optischen Bauteilen wie Mikrolinsen, daneben gibt es in der Medizin- und Umwelttechnik Einsatzmöglichkeiten.

Wer die Mikromontagemaschine nicht kaufen oder leasen will, kann sie auch mieten – entweder bei sich im Haus oder ferngesteuert. Im zweiten Fall sendet der Kunde seine Bauteile an Microw (www.microw.de). Dort kann er sie entweder von Mitarbeitern montieren lassen oder sie werden mittels einer Industrie-4.0-Anwendung auf den Montagetisch gelegt und er kann sie von seinem eigenen Arbeitsplatz aus selbst montieren – wobei er eine umfassende Prozessunterstützung erhält.

Das Projekt wird im Programm EXIST-Forschungstransfer vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert.