Extrem nano, präzise und schnell

In K&E 5 hatte Piezo-Experte Steffen Arnold eindrucksvoll geschildert, was heute mit Piezo-Aktoren theoretisch machbar ist. „In der Praxis beweisen Piezos ihre wahre Flexibilität, wenn sie tonnenschwere Maschinen bewegen, präzise in der Nano- Mechatronik positionieren und in Mikrodispensern Nanoliter-Mengen dosieren.“

Die Welt des klassischen Piezo-Aktors spielt sich grundsätzlich unterhalb von 1 mm ab, weil größere Hübe die serielle Anordnung mehrerer Aktoren erfordern würden. So wäre für 250 µm Hub ein 25 cm langer Piezo-Stapel nötig, der dann nach Erfahrung von Steffen Arnold nicht mehr wirklich kompakt und nicht mehr bruchfest sein würde, weil vor allem der Durchmesser zu dünn ist. Alternativ kann der Hub mit mechanischen Hebelkonstruktionen vergrößert werden, was jedoch auf Kosten der Steifigkeit und somit der dynamischen Möglichkeiten des Systems geht. Idealbesetzung sind die Piezo-Aktoren dort, wo Schwingungen erzeugt (für Ultraschall, Pumpen, Ventile) oder durch gegenläufige Bewegungen unterdrückt werden sollen, wie zur aktiven Schwingungsisolation und Adaptronik. Und dafür gibt es bereits einige extrem anmutende Beispiele, die jedoch die Stärken des Piezos gewinnbringend nutzen. Eigentlich sind Industrieroboter für die Zerspanung nicht steif genug, zu ungenau und damit ungeeignet. Um die zumindest notwendige Genauigkeit zu erreichen, hat das Fraunhofer IPA erst kürzlich eine separate Ausgleichsaktorik für den Fräskopf eines Roboters entwickelt. Auftretende Ungenauigkeiten werden dazu gemessen und in Echtzeit direkt dort, wo sie auftreten durch die Ausgleichsaktorik kompensiert. Machbar ist das, weil der Roboter nicht das Werkzeug, sondern das zu bearbeitende Teil greift und es zum Fräskopf führt. Eine Schlüsselfunktion hat dabei natürlich die Ausgleichskinematik, die samt Aktorik und Mechanik am Fraunhofer IPA in Stuttgart entwickelt wurde. Schlüsselelemente sind die Piezoaktoren von Physik Instrumente, weil sie nicht nur verschleiß- und reibungsfrei sowie ohne Schlupf arbeiten, sondern mit bis zu 10 g beschleunigen, sich für die hohen Frequenzen perfekt eignen und damit ideal die Ungenauigkeiten in der Roboterbahn kompensieren können. Da Piezoaktoren grundsätzlich ja nur mit kleinen Hüben arbeiten, wurden sie vom IPA mit Festkörpergelenken kombiniert. Auf diese Weise lassen sich in der beschriebenen Anwendung Wege bis zu 690 µm realisieren. Die Verfahrgenauigkeit der Kinematik in allen drei Achsen liegt dabei im Nanometerbereich. Der Roboter ist so für das Fräsen von Metallen und Kunststoffen bestens präpariert.

Piezo-Würfel bewegt Nano

Hier geht es um extreme Schnelligkeit für hochpräzise Positionieraufgaben: Piezo-Aktoren schaffen Wiederholgenauigkeiten im Nanometerbereich bei Ansprechzeiten unterhalb einer Millisekunde, sind vakuumkompatibel und funktionieren in einem breiten Temperaturspektrum. „So etwas ist wie geschaffen für die Halbleiterfertigung, optische Messtechnik, Mikrobearbeitung oder Photonik“, klärt Steffen Arnold über die typischen Einsatzbereiche piezobasierter Positioniersysteme auf. Zum Beispiel wird der dreiachsige NanoCube beim Herstellen kleinster Polymer- und Proteinstrukturen erfolgreich eingesetzt. Mit diesem Nanopositioniersystem (P-611) lassen sich mit einer Kantenlänge von 44 mm Stellwege von maximal 120 x 120 x 120 µm einfach installieren und integrieren. „Kleinste Antriebseinheit in unserem NanoCube sind natürlich unsere Piezoaktoren, die Auflösungen bis 0,2 nm bei Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich garantieren“, betont Steffen Arnold. Das (ungeregelte) Grundmodell ist für hochauflösende Positionierungen vorgesehen, bei denen die absolute Position von untergeordneter Bedeutung ist oder deren Regelkreis extern geschlossen wird. Das ist etwa bei Tracking- oder Faserpositionier-Anwendungen der Fall. Für Applikationen, die hohe Absolut- und Wiederholgenauigkeit erfordern, gibt es eine geregelte Version mit integrierten Positionssensoren. Beide Varianten nutzen vorgespannte Hochleistungs-Piezoaktoren, die in ein reibungs- und spielfreies Führungssystem mit FEM-optimierten Festkörpergelenken integriert sind. Da Aktoren, Führung und Sensoren verschleißfrei arbeiten, sind die Systeme sehr zuverlässig und langlebig. Ein Beispiel dafür findet sich bei der französischen Firma Teem Photonics, die den NanoCube P-611 in dem neuartigen Mikrofertigungssystem µFab3D einsetzt. Das System erzeugt dreidimensionale Mikrostrukturen und Objekte in lichtempfindlichen Materialien wie Polymeren, Proteinen oder Edelmetallen.

Die Funktionsweise des Mikrofertigungssystems basiert auf der Zwei-Photonen-Absorption, bei der mit einem gepulsten Laserstrahl eine hinreichend große Energiezufuhr im Fokus erzielt wird. Dadurch wird die Materialstruktur durch Polymerisation, Verkettung von Proteinen oder Ausfällen von Metallionen verändert. Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören die Mikro-Fluidik, die Zellbiologie sowie die Herstellung photonischer Kristallstrukturen in der Mikrooptik. Die Auflösung des Systems, also die Größe der Bearbeitungspunkte, die überall innerhalb des Objekts liegen können, beträgt 200 nm. Bearbeitet wird ‚on the fly’ bei einer Geschwindigkeit von 100 µm/s. Um ein homogenes und qualitativ hochwertiges Ergebnis zu erreichen, muss der Laser die Bearbeitungspunkte präzise und mit einer konstanten Geschwindigkeit anfahren. Dafür liefert der NanoCube P-611 mit einem Stellweg von 100 x 100 x 100 µm die besten Voraussetzungen. Da die Größe des zu bearbeitenden Objekts derzeit lediglich durch die Verfahrwege des Piezosystems limitiert wird, soll zukünftig ein System mit größeren Hüben verwendet werden.

In Mikrodispensern Nanoliter dosieren

Aber auch bei der automatisierten Dosierung kleinster Mengen und Volumina sind die Piezo-Aktoren stark: „Die Medizintechnik und Biotechnologie nutzt heute bereits die Piezos, um mit Mikrodispensern verschiedenste Flüssigkeiten in höchster Präzision zu dosieren, indem die Tröpfchen aus einer Düse ausgestoßen werden“, deutet Steffen Arnold die Funktionsweise an. Konkret wird damit die Aktorik zur Tröpfchenbildung realisiert. Dafür sind Piezoaktoren nach Erfahrung von Steffen Arnold bereits erste Wahl, weil sie die erforderliche Linearbewegung sehr präzise und ohne Umweg erzeugen und sich obendrein gut an die jeweilige Applikation anpassen lassen. Die Piezos von PI werden in der von Biofluidix entwickelten PipeJet-Technolgie verbaut. Durch die beim Dosieren eingesetzte piezogetriebene Direktverdrängung können Tröpfchengrößen von 5 bis 60 Nanoliter erzeugt werden und das bis zu 100 mal in der Sekunde.

Dynamische Scheibenform für Mikro-Membranpumpen

Ähnlich wie Kolbenpumpen arbeiten die Mikro-Membranpumpen – allerdings mit dem typischen Unterschied, dass das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt ist. „So ist von vornherein ausgeschlossen, dass unsere Antriebe die zu pumpenden Medien negativ beeinflussen können. Passive Ein- und Auslassventile steuern die Pumprichtung. Als Antriebssystem empfiehlt Steffen Arnold seine hochdynamischen Piezoelemente in Scheibenform, die direkt auf einer Metallscheibe appliziert werden. Auch bei Gegendruck lassen sich so hohe Förderraten realisieren, indem die Schaltfrequenzen oder die Amplitude der Piezoauslenkung über eine entsprechende Regelung variiert werden. Mit diesen Mikro-Membranpumpen lassen sich vor allem Flüssigkeiten dosieren mit einer Flussrate bis circa 80 ml/min bei Schaltfrequenzen zwischen 25 und 120 Hz und potentiellem Gegendruck von 200 bis 500 mbar. Bei der Dosierung von Gasen liegen die Werte bei 0,1 bis 250 ml/min, 100 bis 500 Hz und 100 mbar. Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten breit gestreut. Sie reichen von Labor- und Medizintechnik über Chemie und Pharmazie bis hin zur Elektronikfertigung und zum Maschinenbau.

Piezo-Aktoren richtig verbauen

Was bei der Konstruktion mit Piezo-Aktoren und -Sensoren zu beachten ist, fasst Steffen Arnold in 5 Tipps. Nr.1: Mechanische Entkopplung zur Vermeidung von lateralen und Zugbelastungen. Tipp 2: Vermeide hohe Offset-Spannungen − etwa dadurch, dass ein Ventil nicht über die angelegte Piezospannung lange offen gehalten wird, sondern gegen eine Feder arbeitet. Tipp 3: Piezos sind sehr steif und gut geeignet, hohe Kräfte oder Dynamik aufzubringen. Dazu muss die mechanische Halterung der Piezos ebenfalls hochsteif ausgelegt werden. Tipp 4: Piezoaktoren bewegen sich nicht geradlinig. Um präzise, geradlinige Bewegungen zu erzeugen, muss der Aktor in ein geeignetes Führungssystem eingebettet werden. Tipp 5: Das Verhältnis zwischen angelegter Piezospannung und Auslenkung ist nicht linear. Die Linearität kann verbessert werden, indem man Positionssensoren verwendet und den Aktor in einem geschlossenen Regelkreis einsetzt. Und der beste Tipp: Die größte Integrationsstufe von PI beziehen. „Der größte Fehler ist, die Piezos nicht bei PI zu kaufen, weil unsere die langlebigsten sind.“ Das untermauert der Marketingstratege Steffen Arnold mit ausgiebigen Tests der keramikisolierten PICMA-Aktoren im Vergleich zu polymerisolierten Aktoren. Erst bei 150 V DC, weit über der Nennspannung, treten erste Ausfälle auf – während nach 18 Monaten Testzeit (22°C, 55 % relative Luftfeuchte) nur noch wenige herkömmliche Piezoaktoren funktionstüchtig sind.W

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