Active Shims für Präzisionsmaschinen Nachjustieren mit dem Piezoeffekt

Keramisch isolierte PICMA-Piezoaktoren in unterschiedlichen Bauformen: langlebig auch unter erschwerten Einsatzbedingungen

Ändert sich in Präzisionsmaschinen ein Soll- oder Ist-Maß zwischen zwei Komponenten, muss dieses nachjustiert werden. Einfacher als mit bisherigen Lösungen geht das mit den piezobasierten „Unterlegscheiben“ von PI.

Einmal in der Maschine eingebaut, lässt sich mithilfe dieser Active Shims der Abstand zwischen zwei Bauteilen jederzeit mit Nanometergenauigkeit nachjustieren.
Wenn Komponenten in Präzisionsmaschinen, wie etwa optische oder messtechnische Systeme, Bearbeitungsmaschinen für Wafer, Chipholder oder Positioniersysteme, nachträglich justiert werden müssen, sind oft klassische, auf genaue Abstände geschliffene Unterlegscheiben das Mittel der Wahl. Sie haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass sie mechanisch eingebaut werden müssen, oft an schwer zugänglichen Stellen. Außerdem ist diese Art der Justierung nicht beliebig fein möglich und das einmal festgelegte Maß lässt sich nachträglich nur schwer ändern. Deutlich einfacher, schneller und genauer geht das mit den piezobasierten Unterlegscheiben PIRest von Physik Instrumente (PI). Aufgrund der hohen Auflösung der Aktoren von wenigen Nanometern bietet sich diese Lösung nicht nur für den klassischen Maschinenbau an, sondern beispielsweise auch für die Justage von optischen Komponenten in der Astronomie, der Materialforschung in Synchrotrons, in Vakuumumgebungen oder in der Halbleiterfertigung.

Set and forget

Die piezobasierten Unterlegscheiben werden bereits bei der Konstruktion einer Maschine eingebaut; dabei sind sie in nahezu beliebigen Formen und Größen erhältlich, z.B. als Platten, Ringe, Zylinder oder auch in anwendungsspezifischen Formen. Sie werden ebenso wie die aufgrund ihrer Langlebigkeit in industriellen Einsätzen bewährten PICMA-Aktoren in der patentierten Multilayer-Technologie hergestellt. Hier ist die eigentliche Piezokeramik – ein monolithischer Block, dessen aktive Schichten aus dünnen keramischen Folien bestehen – von einer vollständig keramischen Isolierschicht umgeben. Diese schützt vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom. In Industrie, Life-Science und Mikroskopie ebenso wie in der Medizintechnik und Forschung beweisen die Multilayer-Aktoren immer wieder ihre Qualitäten; laut PI sind keine Ausfälle im Feld zu beobachten. Der monolithische Piezokeramikblock eines PICMA-Aktors erreicht selbst unter extremen Umgebungsbedingungen, wie z.B. in der Raumfahrt, eine hohe Zuverlässigkeit und erhöht die Lebensdauer um mehrere Größenordnungen.

Unterschied zum klassischen Piezoaktor

In einem Punkt unterscheiden sich die neuen PIRest-Aktoren jedoch deutlich von diesen „normalen“ Piezoaktoren, die fürs Nachjustieren nicht geeignet sind. Bei klassischen Piezoaktoren muss normalerweise die elektrische Spannung (Offset-Spannung) am Aktor aufrechterhalten werden, solange man die Auslenkung wünscht. Das hat fürs Justieren gleich zwei Nachteile: Bei der Ausstattung der Maschine müsste hierfür eine zusätzliche stabile Spannungsversorgung vorgesehen werden, und die Lebensdauer der Aktoren würde leiden. Deshalb arbeitet die PIRest-Technologie hier anders: Sie basiert zwar ebenfalls auf Piezoaktoren, jedoch halten diese durch eine besondere Ansteuerung ihre Auslenkung nach der Justierung stabil und nanometergenau auch ohne Offset-Spannung.

Active Shims mit Nanometerauflösung

Der statische Abstand lässt sich durch kurzzeitiges Anlegen einer Versorgungsspannung am PIRest-Aktor einstellen. Dafür ist im Active Shim ein Spannungsanschluss vorgesehen, der lediglich beim jeweiligen Justageprozess an eine Spannungsquelle angeschlossen werden muss. PI bietet für diesen Prozess eine einfach zu verwendende Spannungsversorgung mit der passenden Ansteuerung an. Die dafür nötigen Kabel können bereits beim Design der Maschine berücksichtigt werden und sind damit permanent im System verlegt. Nach dem Justieren wird die gewünschte Position ohne Spannung langzeitstabil gehalten, die Spannungsversorgung kann entfernt werden. Die Stabilität der Auslenkung hängt lediglich von der Änderung der Umgebungstemperatur ab. Langzeittests in einer auf 1 K temperaturstabilen Umgebung haben laut PI für einen Aktor mit 10 µm Nominalhub Driften von weniger als ±100 nm gezeigt, unabhängig von der Auslenkung. Bei Standardprodukten liegt die maximale Auslenkung je nach Größe des Aktors zwischen 5 und 35 µm; durch geschickte Kombinationen der Active Shims ist die Ausrichtung in bis zu sechs Achsen möglich. Als Option können die Aktoren zudem mit einem Temperatursensor ausgestattet werden.

Besonders die Justage an unzugänglichen Stellen vereinfacht sich durch die Active Shims erheblich, zumal die piezobasierten Unterlegscheiben selbst tonnenschwere Lasten halten können. Bei Bedarf lassen sich die Active Shims zudem mit klassischen Piezoaktoren kombinieren, z.B. für eine dynamische Schwingungskompensation. Typische Anwendungen für solche hybriden Systeme sind beispielsweise das Nachstellen der Brennebene während eines optischen Mess- oder Scanvorgangs sowie die Steuerung eines Laserstrahls in der Messtechnik oder Materialbearbeitung.