Auslegung und Gestaltung von Werkzeugen zum berührungslosen Greifen kleiner Bauteile in der Mikromontage

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1 Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Technischen Universität München Auslegung und Gestaltung von Werkzeugen zum berührungslosen Greifen kleiner Bauteile in der Mikromontage Michael Schilp Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Ulbrich Die Dissertation wurde am bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am angenommen.

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3 Michael Schilp Auslegung und Gestaltung von Werkzeugen zum berührungslosen Greifen kleiner Bauteile in der Mikromontage Herbert Utz Verlag München

4 Forschungsberichte IWB Band 199 Zugl.: Diss., München, Techn. Univ., 2006 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwendung vorbehalten. Copyright Herbert Utz Verlag GmbH 2007 ISBN Printed in Germany Herbert Utz Verlag GmbH, München

5 Geleitwort der Herausgeber Die Produktionstechnik ist für die Weiterentwicklung unserer Industriegesellschaft von zentraler Bedeutung, denn die Leistungsfähigkeit eines Industriebetriebes hängt entscheidend von den eingesetzten Produktionsmitteln, den angewandten Produktionsverfahren und der eingeführten Produktionsorganisation ab. Erst das optimale Zusammenspiel von Mensch, Organisation und Technik erlaubt es, alle Potentiale für den Unternehmenserfolg auszuschöpfen. Um in dem Spannungsfeld Komplexität, Kosten, Zeit und Qualität bestehen zu können, müssen Produktionsstrukturen ständig neu überdacht und weiterentwickelt werden. Dabei ist es notwendig, die Komplexität von Produkten, Produktionsabläufen und -systemen einerseits zu verringern und andererseits besser zu beherrschen. Ziel der Forschungsarbeiten des iwb ist die ständige Verbesserung von Produktentwicklungs- und Planungssystemen, von Herstellverfahren sowie von Produktionsanlagen. Betriebsorganisation, Produktions- und Arbeitsstrukturen sowie Systeme zur Auftragsabwicklung werden unter besonderer Berücksichtigung mitarbeiterorientierter Anforderungen entwickelt. Die dabei notwendige Steigerung des Automatisierungsgrades darf jedoch nicht zu einer Verfestigung arbeitsteiliger Strukturen führen. Fragen der optimalen Einbindung des Menschen in den Produktentstehungsprozess spielen deshalb eine sehr wichtige Rolle. Die im Rahmen dieser Buchreihe erscheinenden Bände stammen thematisch aus den Forschungsbereichen des iwb. Diese reichen von der Entwicklung von Produktionssystemen über deren Planung bis hin zu den eingesetzten Technologien in den Bereichen Fertigung und Montage. Steuerung und Betrieb von Produktionssystemen, Qualitätssicherung, Verfügbarkeit und Autonomie sind Querschnittsthemen hierfür. In den iwb Forschungsberichten werden neue Ergebnisse und Erkenntnisse aus der praxisnahen Forschung des iwb veröffentlicht. Diese Buchreihe soll dazu beitragen, den Wissenstransfer zwischen dem Hochschulbereich und dem Anwender in der Praxis zu verbessern. Gunther Reinhart Michael Zäh

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7 Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München. Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart, der das Potential der Technologie des Ultraschallluftlagers erkannte und dem strategischen Projekt und späterem Forschungsfeld Mikromontage die nötige Ausstattung und mit dem Bau des Reinraums das geeignete Forschungsumfeld zur Verfügung stellte. Besonders danken möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh für die stete Begleitung und Betreuung dieser Arbeit sowie die Übernahme des Referates. Ebenfalls bedanken möchte ich mich bei Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Ulbrich für die Übernahme des Koreferats sowie bei Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller für den Prüfungsvorsitz. Nicht zuletzt danke ich allen, die mich während meiner Institutszeit begleitet haben: Den Mitgliedern des Forschungsfelds Mikromontage, Dr.-Ing. Michael Höhn für die Einarbeitung und die Anregung zum Bau des Greifers, Dr.-Ing. Jürgen Höppner für die Grundlagen der Ultraschalllevitation, Dr.-Ing. Dirk Jacob für die gemeinsamen Projekte, Dipl.-Ing. Adolf Zitzmann für kontinuierliche fruchtbare Gespräche bzgl. der physikalischen Effekte am Greifer und Dipl.-Ing. Josef Zimmermann für Anwendungspotentiale und wirtschaftliche Aspekte. Mit den zwei letzteren habe ich die Freude, in einer Ausgründung die Ergebnisse dieser Arbeit in den industriellen Einsatz überführen zu dürfen. Ich danke der Themengruppe Montagetechnik sowie allen anderen Mitarbeitern des Instituts, insbesondere auch der mechanischen Werkstatt unter Leitung von Hans Hilger, der elektrischen Werkstatt mit Mehrdat Adrom sowie besonders Herrn Sigl mit seinem Messlabor, ohne deren Hilfe manches Experiment nicht möglich gewesen wäre. Nicht unerwähnt bleiben soll die stete Hilfe durch eine Vielzahl von Studentinnen und Studenten, die mit Semester- und Diplomarbeiten und als wissenschaftliche Hilfskräfte die Versuchsaufbauten erstellt und viele Versuche durchgeführt haben. Danken möchte ich auch Sabine Lazarski für ihre stete Unterstützung und meiner Frau Johanna für ihre Geduld. München, im Mai 2006 Michael Schilp

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9 Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Formelzeichen V Abkürzungsverzeichnis IX 1 Einleitung Motivation Zielsetzung Vorgehensweise 3 2 Stand der Technik Mikrosystemtechnik Überblick und Definitionen Montageaufgabenstellungen in der Mikrosystemtechnik Bauteilspektrum der Mikrosystemtechnik Einschränkende Bauteileigenschaften für die Montage Greifertechnologien Grundlegende Klärung der Begriffe Wirkprinzipien, Greifphasen und notwendige Subsysteme Anforderungen an Greifer für die Mikromontage Stand der Technik bei taktilen, mechanischen Greifern Stand der Technik bei taktilen fluidischen Greifern Nachteile taktilen Greifens Bekannte Beispiele für Technologien zur berührungslosen Kraftaufbringung Definition berührungslose Handhabung Elektrostatische Systeme Magnetsysteme Konventionelle Luftlager und Luftkissensysteme Bernoulliprinzip, hydrodynamisches Paradoxon Ultraschallsysteme Adhäsive Systeme Defizite bekannter Lösungen aus dem Stand der Technik 31 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien Aerostatische Lager 33 I

10 3.1.2 Anziehende Kräfte durch Unterdruck Selbsterregte aerodynamische Lager Hydrodynamisches Paradoxon (Bernoullieffekt) Luftlager durch Ultraschallanregung Elektrostatische Kräfte Magnetische Kräfte Entscheidungskriterien Möglichkeiten der Umsetzung bei sehr kleinen oder schweren Bauteilen Materialabhängigkeit Beeinträchtigung der Integrität der Bauteile Umsetzungsaufwand der einzelnen Lösung Verschmutzung Konstruktive Einflüsse Wirtschaftliche Überlegungen Analyse der einzelnen Varianten 48 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse Gründe für die Entscheidung für den Einsatz von Luftkissen Das Verhalten des vorgespannten Luftkissengreifers Gestaltung des Luftlager-Vakuumgreifers Gestaltung des Ultraschall-Vakuumgreifers Erzeugung der Ultraschallschwingung Schallausbreitung in Festkörpern und Fluiden Schallwandlung in festen Körpern Schallleitung und Schalltransport Unterdruckschnittstelle für anziehende Haltekräfte Zusammenfassung 66 5 Prinzipien zum Aufbringen lateraler Zentrierkräfte Betrachtung der physikalischen Prinzipien Beeinträchtigung durch Zentriervorrichtungen Untersuchung lateraler fluidischer Zentrierkräfte Beschreibung des Modells und Versuchsaufbau Versuchsdurchführung und Ergebnisse 73 II

11 5.3.3 Fazit 78 6 Konzeption und Gestaltung eines Greifers Vorgehen Konzept Auslegung einer Ultraschallsonotrode Auslegung der vertikalen Haltekraft Laterale Zentrierkräfte Messtechnik für die lateralen Zentrierkräfte Einfluss unterschiedlicher Kantengestaltung der Sonotrode Entwicklung eines Gütekriteriums für das berührungslose Greifen Bewertungsgrundlage Experimentelle Evaluierung von Sonotrodenform und Stirnflächengestaltung 91 7 Anwendungsbeispiele und Umsetzung Anwendungsbeispiel Luftmassensensor Berührungsloser Greifer für Luftmassensoren Test des Greifers in der Sysmelecanlage Bewertung des Systems Anwendungsbeispiel beschichtete Linsen Eigenschaften der Linsen Entwickelter Greifer Versuchsergebnisse Abschließende Bewertung des Linsengreifers Blechrohlinge für Miniaturkugellager-Käfige Anforderungen durch Bauteil und Prozess Auslegung und Konstruktion der Sonotrode für das Krallenteil Auslegung des schwingenden Balkens Versuchsergebnisse für den schwingenden Balken Versuchsergebnisse des Balkens mit Sonotrode Vorversuche mit einem schwebenden geschlossenen Plättchen Stabilität des Greifvorganges des Plättchens Bewertung des Krallenteilaufnehmers 129 III

12 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis 144 IV

13 Verzeichnis der Formelzeichen Verzeichnis der Formelzeichen Formelzeichen Bedeutung Einheit a Radius des Stabes mm A (Greif-) Fläche m² b Breite des Biegebalkens mm b Breite der Nut im Biegebalken mm B Biegesteifigkeit des Stabes N/mm 2 c geometrische Größe m c B, Stab Schallgeschwindigkeit einer Biegewelle im Stab m/s c D QL, Stab cl, ct, / Schallgeschwindigkeit einer Dehn-/Quasilongitudinalwelle im Stab Schallgeschwindigkeit einer Longitudinalwelle im unendlich ausgedehnten Medium Schallgeschwindigkeit einer Transversalwelle im unendlich ausgedehnten Medium m/s m/s m/s c 0, c 1, c2 Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien m/s d Abstand zwischen Greif- und Grifffläche m d0 D Abstand zwischen Greif- und Grifffläche im Gleichgewichtszustand Schalldurchlässigkeitskoeffizient m D Durchmesser mm e * Schwerpunktkoordinate in z-richtung mm z E Elastizitätsmodul N/mm 2 f Frequenz einer Schwingung Hz F Kraft N F0 maximal mögliche Tragkraft N Fan Gesamtbetrag der anziehenden Kraft N FDruck Druckkraft N FR Reibkraft N V

14 Verzeichnis der Formelzeichen Formelzeichen Bedeutung Einheit FUS Abstoßende Kraft des Ultraschalllagers N FVac Anziehende Kraft des Unterdrucks N FZug Zugkraft N g Erdbeschleunigung m/s 2 G Schubmodul N/mm 2 G Gewichtskraft N h Höhe des Biegebalkens mm h Höhe der Nut im Biegebalken mm H I Konstante Konstante I y Flächenträgheitsmoment um die y-achse m 4 J ko K Konstante Kreiswellenzahl Konstante l freie Länge des Biegebalkens mm lh Länge des Verstärkerhorns mm m Luftmassenstrom kg/s n Anzahl p Druck Pa p(r) Druck in Abhängigkeit vom Radius Pa p0 Umgebungsdruck Pa ˆp 0 Schalldruckamplitude am Reflektor Pa pa Außendruck am Rand des Luftlagers Pa pi Innendruck (Bohrung, Lager) Pa pk Speisedruck Pa psaugbohrung Druck in der Saugbohrung Pa VI

15 Verzeichnis der Formelzeichen Formelzeichen Bedeutung Einheit PStr 00 Kraft des Langevinschen Schallstrahlungsdrucks auf den Reflektor N R Reflexionsvermögen S0 Wirksame Sonotrodenfläche am Ultraschallgenerator mm² S1 S2 Koppelungsfläche eines Verstärkerhorns zum Ultraschallgenerator Koppelungsfläche eines Verstärkerhorns zum Ultraschallverbraucher r Radius m ra Außenradius m ri Innenradius/Düsenradius m U elektrische Spannung V v Geschwindigkeit m/s ˆ Schallschnelle an der Stelle des Reflektors m/s v z = l w, w(t) Balkendurchbiegung m W (x) Amplitudenfunktion der Balken-Schwingungsgleichung m x x-koordinate m xg freie Länge der Sonotroden ohne Spitze m xs freie Länge einer Sonotrodenspitze m X Abweichung in x-richtung m y y-koordinate m Y Abweichung in y-richtung m z z-koordinate m * z z-koordinate des Schwerpunkts m mm² mm² VII

16 Verzeichnis der Formelzeichen Formelzeichen Bedeutung Einheit α ε r ε0 Absorptionskonstante relative Permittivität eines Dielektrikums Permittivität des umgebenden Mediums δ 2. Lamésche Konstante N/mm² η Viskosität Pa s η0 Viskosität der Anfangsbedingung Pa s κ Platzhaltervariable der Schwingungs-DGL m λ Wellenlänge mm µ 1. Lamésche Konstante N/mm² ν Querkontraktionszahl ρ Dichte kg/m 3 ρ 0, ρ 1, ρ 2 Dichte in verschiedenen Medien kg/m 3 σ Standardabweichung ω Kreisfrequenz 1/s VIII

17 Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abkürzung AVT DGL DIN DMS FEM FVM-Lager LIGA MST VDI VR-GelPak Bedeutung Aufbau- und Verbindungstechnik Differentialgleichung Deutsches Institut für Normung Dehnmessstreifen Finite-Elemente-Methode Luftlager mit flächig verteilten Mikrodüsen Lithografisch-galvanische Abformung: Technik zum Herstellen mikrofeiner Strukturen Mikrosystemtechnik Verein deutscher Ingenieure Vacuum release GelPak (Markenbezeichung): Klebepad zur Bauteilaufnahme, bei dem über Anlegen eines Unterdrucks die Klebekraft verringert werden kann IX

18 Abkürzungsverzeichnis X

19 1.1 Motivation 1 Einleitung 1.1 Motivation Seit einigen Jahren schreitet die Verkleinerung von Produkten und Prozessen in vielen Bereichen der täglichen Freizeit- und Arbeitswelt stetig voran, was drei Beispiele aus Unterhaltungstechnik, Life Sciences und Automobilindustrie zeigen. Benutzte man vor 15 Jahren unterwegs noch 500 Gramm schwere ( Klein )Kassettenrecorder (Walk-Man), lässt sich heute gespeicherte Musik mittels Geräten hören, die kleiner als eine Streichholzschachtel sind. Ein Handy mit einer Masse von über 150 Gramm wird überhaupt nicht mehr angeboten. Lediglich das Benutzerinterface ist hier noch die größenbestimmende Einschränkung für das Gerät. Gleichzeitig werden immer neue Möglichkeiten in den so genannten Life Sciences entwickelt. Minimalmengendosierung, neue Analyseverfahren und die Weiterentwicklung in der Sensorik ermöglichen Fortschritte in der Gentechnik, der Pharmazie und der Biotechnologie. Den von der Öffentlichkeit nicht wahrgenommenen, wahrscheinlich technologisch größten Schritt hat in diesem Zeitraum die Automobiltechnik vollzogen: Elektronik-, Sensor- oder miniaturisierte Mechanikkomponenten finden sich in mittlerweile jedem für das Fahren, die Sicherheit und den Umweltschutz zuständigen System. Dieser in den drei Beispielen deutliche Trend der aktuellen Technikentwicklung zur Miniaturisierung hin impliziert auf der Seite der Industrie den Zwang zu immer kleineren, meist spezialisierteren Bauteilen und höherer Integration innerhalb der Geräte. Als Folge für die Produktionstechnik lassen sich drei Zwänge ableiten: höhere Präzision, beschädigungsfreie Handhabung, Reinigung und Montage der immer empfindlicheren Strukturen und saubere, kontaminationsfreie, manchmal auch sterile Arbeitsumgebung, oft in Reinräumen. Damit entsteht ein neues Aufgabenfeld nicht nur für Herstellungsverfahren, sondern auch für alle umgebenden produktionstechnischen Prozesse. Die Bauteilbereitstellung und die Logistik müssen ebenso auf diese neuen Anforderungen abgestimmt werden wie die Fügeprozesse und die Qualitätssicherung. Beispiele dafür sind erstens grundsätzliche Probleme bei der Handhabung von Bauteilen mit empfindlichen Oberflächen, die in der Halbleiterindustrie aus der Prozessfolge (Beschichtung, Belackung, Strukturierung) vorübergehend entstehen, oder auch funktionelle Oberflächen spezieller Produkte in der Mikrosystemtechnik (MST). Zweitens tendieren weite Bereiche der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik zur Verarbeitung und Prozessierung immer dünnerer Halbleiterscheiben. Durch die Ausdünnung werden nicht nur kleinere Bauteile, sondern auch ganz neue Anwendungsbereiche erschlossen. So wird eine optimale Kühlung von Leistungshalbleitern durch Ausdünnung der Wafer auf unter 100 µm und damit eine bessere Wärmeabfuhr durch die Minimierung des elektrischen und thermischen Widerstands erreicht. Drittens führt die stetige Verkleinerung auf dem Gebiet der tragbaren 1

20 1 Einleitung Konsumelektronik zu doppelseitig strukturierten Bauteilen und beidseitig bestückten Substraten. Neue Bauformen wie Bauteilstapel (Tajima 2000) oder Chip-Size-Packages und embedded systems stellen neue Herausforderungen an die Handhabungs-, Montage- und Aufbautechniken, die mit heute verfügbaren Automatisierungskomponenten nur unzureichend erfüllt werden können. Yole (2004) schreibt zwar in seiner Marktstudie, dass erst die 15 größten Halbleiterfabriken (Fabs) nach Vollautomatisierung beim Wafertransport und den Fertigungsprozessen streben, bestätigt aber grundsätzlich den weiterhin großen Handlungsbedarf bei angepassten Handhabungs-, Säge- (Dicing-) und Aufbauprozessen. Vor dem Hintergrund eines weiteren Wachstums der MST ist zu erwarten, dass zunehmend auch für kleine Losgrößen teilautomatisierte Montageprozesse aufgrund der stetig fortschreitenden Verkleinerung eingeführt werden müssen (Bark 1998). Die möglichen Montageabläufe, meist Pick-and-Place-Vorgänge, erfordern dabei in der Regel ein Greifen von oben, während Funktionsstrukturen auf Bauteilober- bzw. unterseiten und dem Substrat zueinander ausgerichtet werden müssen (s. a. Höhn 2001 und Jacob 2002). Die Toleranzanforderungen liegen dabei zwischen 0,1 und 20 µm (Zühlke 1996, Bark 1998). Heute beschränken sich die verwendeten Montagetechniken auf das Aufnehmen der Teile mit Pinzetten oder Saugröhrchen. Dabei können aber nur inhomogen verteilte und größtenteils nicht definierte Kräfte auf die Bauteile ausgeübt werden. Bruchempfindliche Bauelemente können durch ungleichmäßige Krafteinleitung beim Handhabungs- und Fügeprozess leicht beschädigt werden. Auch ist es bisher nicht möglich, Bauteile mit Oberflächenstrukturen im µ-meterbereich, z. B. HF-Bauelemente, Leuchtdiodenkomponenten etc., exakt zu positionieren und zu fügen, ohne Gefahr zu laufen, diese Strukturen zu beschädigen. 1.2 Zielsetzung Aufgrund der genannten Punkte setzt sich diese Arbeit zum Ziel, für kleine Bauteile mit unterschiedlichsten Oberflächen und Strukturen berührungslose Greifverfahren zum beschädigungsfreien Transportieren, Handhaben und Montieren unter Vermeidung jeglicher Verschmutzung und Partikelerzeugung zu untersuchen und weiter zu entwickeln. Jede Berührung der Bauteile führt sowohl zur Erzeugung von Partikeln durch Abrieb als auch zur Verschleppung der an den Betriebsmitteln haftenden Partikeln auf die Bauteiloberflächen. Berührungslose Greifverfahren erfordern zunächst das Erzeugen vertikaler Kräfte zum Aufheben und Andrücken der Bauteile, um die Schwerkraft und auftretende Beschleunigungskräfte zu kompensieren. Zudem ist eine laterale Zentrierung notwendig, um eine genaue Positionierung zu ermöglichen. Positioniertoleranzen im zurzeit üblichen Bereich zwischen 10 und 80 µm werden in dieser Arbeit angestrebt. Diese seitliche Zentrierung soll nach Möglichkeit ebenfalls berührungsfrei oder zumindest minimaltaktil erfolgen, um den vorgenannten Zielen der Kontaminationsfreiheit und Partikelvermeidung zu entsprechen. Zunächst sollen grundsätzliche Möglichkeiten, berührungsfrei Kräfte aufzubringen, evaluiert werden. Unterschiedliche physikalische Prinzipien sowie deren Kombinationen können für eine berührungslose Krafterzeugung genutzt werden. Gespiegelt an den Anforderungen an 2

21 1.3 Vorgehensweise Greifwerkzeuge von Seiten der Montagesysteme sollen als Ziel Prototypengreifer für ausgewählte Beispielprozesse aus der Mikrosystemtechnik und Mikrooptik vorgestellt werden. 1.3 Vorgehensweise Die vorliegende Arbeit befasst sich damit, Verfahren für den berührungslosen Transport und die berührungslose Positionierung von kleinen Bauteilen zu entwickeln und die Möglichkeiten anhand dreier typischer Beispiele zu beschreiben. In Kapitel 2 wird der Stand der Technik dargestellt. An den Anforderungen an die Montage von Bauteilen der Mikrosystemtechnik und Mikrooptik werden die Möglichkeiten herkömmlicher Greiftechnologien gespiegelt. Aus den sich ergebenden Defiziten bestehender Systeme werden die Anforderungen an die Gestaltung von berührungslosen Greifern abgeleitet und die Notwendigkeit für deren Einsatz begründet. In den Kapiteln 3, 4 und 5 werden die grundsätzlichen Möglichkeiten der berührungslosen Krafterzeugung untersucht und die unterschiedlichen für das Greifen notwendigen Kraftkomponenten bewertet. In Kapitel 3 werden die physikalischen Prinzipien für die berührungslose Erzeugung von Zug- und Druckkräften auf Bauteile vorgestellt. Entscheidungskriterien für den Einsatz einzelner Prinzipien werden aufgestellt und für unterschiedliche Bauteiltypen und Materialien beschrieben. In Kapitel 4 wird das Luftlager als werkstoffneutrales Prinzip vorgestellt. Der Fokus liegt dabei zu gleichen Teilen auf dem durch Druckdüsen erzeugten Luftlager wie auf dem Prinzip des Ultraschallnahfeldes. Für beide Prinzipien wird kurz die Berechnung der möglichen Kräfte gezeigt. Prinzipien zur Erzeugung lateraler Kräfte zur Bauteilzentrierung werden in Kapitel 5 dargestellt, womit alle notwendigen Komponenten für ein vollständig berührungsloses Greifen von Bauteilen beleuchtet werden. Das Kapitel 6 befasst sich anschließend mit der Umsetzung eines berührungslosen Greifers auf der Basis von Ultraschall. Beginnend mit den Randbedingungen der Auslegung der dazu erforderlichen Ultraschallsonotrode wird die Haltekraft experimentell ermittelt. Abschließend werden die lateralen Zentrierkräfte untersucht und die auftretenden Phänomene vermessen. In Kapitel 7 werden drei Anwendungsbeispiele vorgestellt, für die das berührungslose Greifverfahren umgesetzt wurde. Einer kurzen Beschreibung des jeweiligen Versuchsaufbaus schließen sich die Darstellungen der jeweils entwickelten Greifer und die erzielten Versuchsergebnisse an. In Kapitel 8 findet die Arbeit mit einer kurzen Zusammenfassung sowie einem Ausblick auf weitere Entwicklungen ihren Abschluss. 3

22 1 Einleitung 4

23 2.1 Mikrosystemtechnik Überblick und Definitionen 2 Stand der Technik 2.1 Mikrosystemtechnik Überblick und Definitionen In den letzten 15 Jahren entwickelte sich aus Halbleiterindustrie und Elektronikindustrie ein neuer Industriezweig, der zunächst teils anwendungsgetrieben, teils technologiegetrieben die Möglichkeiten der weiteren Miniaturisierung von Produkten und Betriebsmitteln nicht nur in der Rechnertechnik, sondern mittlerweile in einer Vielzahl von Anwendungen initiierte. Das Bundesministerium für Forschung und Technologie lieferte in der Broschüre zum Start des Programms Mikrosystemtechnik folgende Definition: Werden Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren in miniaturisierter Form so zu einem Gesamtsystem verknüpft, dass sie empfinden, entscheiden und reagieren können, so spricht man von einem Mikrosystem. Hierbei ist entscheidend, dass die Funktionen eigenständig erfolgen. Sensoren entsprechen den menschlichen Sinnesorganen, die Signalverarbeitung dem Gehirn und Aktoren den Gliedmaßen. (BMFT 94) Die Mikrosystemtechnik (MST) wird allgemein als Schlüsseltechnologie für das 21. Jahrhundert angesehen. Mehrere Quellen prognostizieren dabei eine wachsende Anzahl an Produkten in einem stetig wachsenden Markt (Nexus 1998, Sandmaier 1996, Bark 1998, Fischer 1997, Müller 2001). Die MST wird sowohl in einzelnen Wirtschaftszweigen als auch in gesamtwirtschaftlicher Hinsicht als Schlüsseltechnologie (Wicht 1999) betrachtet. Sie stellt eine Querschnittstechnologie dar, die in vielen Industriesektoren Anwendung findet und wird entsprechend als Basistechnologie mit einem der Mikroelektronik vergleichbaren Potential angesehen (Bierhals 1999). Bereits 1996 handelte es sich um einen stark expandierenden Weltmarkt mit einem Marktvolumen von 12 Milliarden Dollar. Dieser beinhaltete vor allem Produkte aus Spezialbereichen wie der Medizin- und Sensortechnik mit kleinen Stückzahlen und Produkte mit sehr hohen Stückzahlen wie den oft zitierten Beispielen Tintendruckköpfe, Schreib-/Leseköpfe in Festplattenlaufwerken sowie Druck- und Beschleunigungssensoren im Automobilsektor (Nienhaus 1999, Eloy 1997). Trotz dieses Booms in einigen Sparten bestehen heute immer noch unverkennbare Verzögerungen bei der Vermarktung neuartiger Systeme. Nienhaus schrieb schon 1999: Im Gegensatz zu rein mikroelektronischen Produkten stellen diese Mikrosysteme jedoch allesamt hochspezialisierte Insellösungen dar, wodurch Synergien durch die gemeinsame Nutzung von Fertigungs-Know-how noch weitgehend ausgeschlossen sind. Anders als in der Halbleiterindustrie erfordert der gerade für die Hybridtechnik typische Variantenreichtum bei stark differierenden Stückzahlen eine flexible Adaptierbarkeit der Montageausrüstung an das oft sehr spezielle Mikroprodukt. Während z. B. in der Medizintechnik vielfach kleine bis mittlere Stückzahlen und eine starke Miniaturisierung gefordert werden, sind für die Fahrzeugtechnik große Stückzahlen bei geringen Kosten zu realisieren. Dies wird unterstützt durch den Trend, die etablierten Prozesse der Halbleitertechnologie und daraus entstandene Produkte, neuartige mikrosystemtechnische Fertigungsverfahren wie z. B. die LIGA-Technik sowie herkömmli- 5

24 2 Stand der Technik che und neue Fertigungsverfahren der Feinwerktechnik zu kombinieren und dementsprechend Produkte aus Modulen aufzubauen. Ein vollständiges Mikrosystem besteht in der Regel aus mechanischen und elektronischen Komponenten. Oftmals werden auch optische Bauteile bzw. Funktionen in ein Mikrosystem integriert (Fischer 1997). Grutzeck (2000) definiert die Bestandteile eines vollständigen Mikrosystems. Es besteht aus: den Komponenten der Eingangsgrößenverarbeitung und -auswertung, einem Prozess, der in der gewünschten Weise durch die Eingangsgrößen bestimmt wird, Schnittstellen zur Übermittlung des Zustands des Systems an z. B. einen menschlichen Beobachter oder auch an ein übergeordnetes System und der Energieversorgung. Grundsätzlich wird bei Mikrosystemen unterschieden in monolithische und hybride Aufbauten. Monolithische Systeme vereinen alle Funktionen auf einem Chip, der daher auch nur aus einem einzigen Material gefertigt ist. Ursprünglich getragen von den technologischen Entwicklungen der Halbleiterindustrie werden entsprechend halbleitertechnische Werkstoffe, v. a. Silizium und Gallium-Arsenid, eingesetzt. Die bekannten Fertigungsverfahren wurden angepasst, um neben elektronischen und elektrischen auch mechanische und sensorische Funktionen auf einem Bauteil zu realisieren. Die konsequente monolithische Integration, also der Aufbau eines Mikrosystems auf einem (multifunktionalen) Chip, gelang bis jetzt jedoch nur für wenige Versuchsmuster und begrenzt die Anwendungsgebiete ebenso wie die realisierbaren Systeme. Industriell umgesetzt wurden bisher hauptsächlich Einzelanwendungen in großen Stückzahlen wie z. B. Beschleunigungssensoren. Die Ursachen hierfür sind: Silizium besitzt als Basismaterial zum Teil ungünstige Materialeigenschaften (z. B. hinsichtlich der Magnetisierbarkeit). Bestimmte Funktionen wie rotatorisch frei bewegliche Teile eines Mikromotors sind zwar prinzipiell realisierbar (vgl. Abbildung 1), jedoch für eine Serienproduktion zu aufwändig. Die Herstellung dreidimensionaler Geometrien mit hohem Aspektverhältnis ist mit den zweidimensionalen Verfahren der Halbleitertechnologie sehr aufwändig. Die monolithische Integration ist äußerst kostenintensiv und eignet sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten im Regelfall nur für die Herstellung großer Stückzahlen (Buch 1998). Diese Nachteile haben zur Entwicklung neuer Fertigungsverfahren für Mikroteile wie LIGA, Mikrozerspanung, Mikrospritzguss und Laserbearbeitung geführt, mit denen auch andere Werkstoffe als Silizium strukturiert werden können und eine dreidimensionale Formgebung möglich ist (Ehrfeld 1991, Schmidt 1998, Weck 1996, Rizvi 1999). Erst mit diesen Verfahren 6

25 2.1 Mikrosystemtechnik Überblick und Definitionen war die Erweiterung der Mikrotechnik von rein elektronischen und eingeschränkt mechanischen auf optische und fluidische Funktionen möglich. Spiegel Zahnstangengetriebe elektrostatische Kammmotoren Abbildung 1: Mikromotor mit Getriebe zum Aufklappen eines Spiegels (linker Bildrand), monolithisch aus Silizium gefertigt, zum Größenvergleich eine Spinnmilbe mit etwa 0,2 mm Länge (Sandia 2004) Da mit diesen Verfahren jedoch vor allem Einzelkomponenten hergestellt werden können, ist die Montage als abschließende Produktionsstufe notwendig und führt direkt zu hybrider Integration. Diese Kombination aus Bauteilen unterschiedlicher Fertigungsschritte und Materialien wird hybrides Mikrosystem genannt (Völklein u. a. 2004). Diese erfordert, zusätzlich zu den funktionalen Komponenten, immer (mindestens) einen Träger und ein Gehäuse (Mescheder 2000). Durch die Aufspaltung eines Mikrosystems in mehrere voneinander getrennt gefertigte Komponenten ist der Einsatz völlig verschiedener Werkstoffe möglich. Dadurch erreichen die hybriden Systeme ihre Funktionalität und Leistungsfähigkeit insbesondere durch die Kombination miniaturisierter und spezifisch optimierter Komponenten (Nienhaus 1999). Das monolithische Mikrosystem ist daher eher eine selten realisierbare Wunschvorstellung für die Massenfertigung, da sowohl die einzelnen Funktionen als auch die einzelnen Materialien und Fertigungsverfahren zu sehr spezielle Eigenschaften aufweisen, so dass nicht jedes Problem monolithisch gelöst werden kann (vgl. auch Grutzeck 2000). Hybridtechnik ist daher eine Notwendigkeit. Dieser Vorteil erzwingt im Gegenzug die Montage der Komponenten zu einem vollständigen System. Dies kann sowohl auf Chip- als auch auf Waferebene, d. h. sequentiell oder parallel (im Nutzen, d. h. eine losweise Fertigung, bei der die Bauteile aus einem einzigen Stück herausgearbeitet und nach Fertigstellung voneinander getrennt werden) 7

26 2 Stand der Technik geschehen. Die zunehmende Funktions- und Variantenvielfalt initiiert eine Umstellung weg von der bisherigen, aus der Halbleitertechnik geprägten Vorgehensweise zu der so weit wie möglich durchgezogenen Fertigung im Nutzen. Bauteilzuführung, Bauteilmontage und Fügetechnik bedingen flexible Werkzeuge für kleine Stückzahlen und die Erprobung und Einführung neuartiger Technologien. Trotz deutlicher Fortschritte bei Sensorsystemen wie Bildverarbeitungen und Handhabungseinrichtungen (hochpräzise Roboter z. B. der Firmen Sysmelec, SPI, Hexapoden und Piezoantriebe z. B. von PI und Micos) bestehen derzeit hauptsächlich noch Defizite bei der Greif-, der Magazinier- und der Zuführtechnik (Nienhaus 1999). Bei den derzeit im Labormaßstab realisierten Produktmustern sowie den Entwicklungen in laufenden Forschungsvorhaben handelt es sich fast ausnahmslos um hybrid aufgebaute Produkte. Die Umsetzung dieser Prototypen in marktfähige Produkte hängt wesentlich davon ab, ob zusätzlich zu dem Technologie- auch ein Kostenvorteil erzielt werden kann. Neben den nicht einfachen Herstellungsprozessen tritt damit deutlich die Montage mit über 70 % der Produktentstehungskosten in den Vordergrund. Einen Überblick über die unterschiedlichen Problemstellungen gibt der nächste Abschnitt. 2.2 Montageaufgabenstellungen in der Mikrosystemtechnik Bauteilspektrum der Mikrosystemtechnik Die Mikromontage grenzt sich von der reinen Bauteilbestückung der Halbleitertechnik ab. Die Bestückungstechnik greift, transportiert und fügt vor allem flache und rechteckige Bauteile, so genannte Dice (Mehrzahl von engl. die, der Würfel, aus dem Wafer ausgeschnittener Chip mit Schaltkreisen, z. B. aus Silizium) oder zylinderförmige Bauteile (passive Bauelemente wie Kondensatoren und Widerstände), die auf derselben Ebene, der Leiterplatte, ihren Platz finden. Die Positioniertoleranzen in der Ebene der Leiterplatte liegen dabei zwischen 40 und 120 µm (Höhn 2001). Die Fixierung der Bauteile erfolgt meist über Lotpasten und Klebstoff, bei neueren Produkten auch über Leitklebstoffe. Dagegen machen in der Mikrosystemtechnik die Flachteile (38 %) und die Zylinderteile (11 %) gemäß einer Erhebung von Bark (1998) nur etwa die Hälfte der gesamten Bauteile aus. Flachteile mit Membranelementen (19 %), regelmäßige Formteile (16 %) und unregelmäßige Formteile (16 %) sind ebenso zahlreich vertreten (vgl. Abbildung 2 oben). Bezüglich der Bauteilgröße stellt Bark eine Spitze im Bereich von 1 bis 5 mm (41 % der Bauteile) und einem erheblichen Anteil in der Größe von 5 bis 10 mm fest. Es zeigt jedoch der steigende, bereits signifikante Anteil von 15 % mit einer Kantenlänge unter 100 µm, dass mit einer stetigen Verkleinerung des Bauteilspektrums zu rechnen ist (vgl. Abbildung 2 unten). 8

27 2.2 Montageaufgabenstellungen in der Mikrosystemtechnik Bauteilgeometrie Flachteil Flachteil mit Membranelementen Kugelteil Häufigkeit % Zylinderteil Regelmäßiges Formteil Unregelmäßiges Formteil Bauteilgröße in mm Produkt Einzelteil <0, ,1... < < < < > Abbildung 2. Verteilung von Bauteilgrößen und Bauteilformen in der Mikrosystemtechnik (nach Bark 1998) Für den Aufbau von hybriden Mikrosystemen sind angepasste Mikromontagetechniken erforderlich. Die Aufgabe kann man in zwei Hauptbereiche unterteilen: Bei der Mikro-Mikro-Integration werden einzelne Mikrobauteile zu einem hybriden Mikroprodukt zusammengesetzt. Aus den einzelnen unterschiedlichen Funktionen der 9

28 2 Stand der Technik Bauteile definieren sich die benötigten Genauigkeiten zueinander. Andere Gegebenheiten wie Materialien, Oberflächenempfindlichkeit usw. sind dabei zu berücksichtigen. Beispiele sind der Aufbau von Mikromotoren, Sensorsystemen aus einem eigentlichen Sensor und benachbarter Auswerteelektronik oder auch ein Diodenlasermodul. Bei der Mikro-Makro-Integration werden Mikrobauteile in Makrokomponenten montiert, z. B. bei der Montage von Mikrolinsen in Endoskope, aber auch der Integration von Mikrosystemmodulen in Produkte und deren Anschlüsse an die Makrowelt, z. B. bei Modulen der Nachrichtentechnik. Der Fokus liegt meist weniger auf der realisierten Genauigkeit (außer bei optischen Systemen) als auf der Zuverlässigkeit der hergestellten elektrischen, fluidischen, optischen und mechanischen Verbindungen. In der Literatur finden sich Untersuchungen der unterschiedlichsten Produkte. Im Folgenden werden exemplarisch drei Beispiele aus der Optik, aus dem Bereich der Mikrosysteme mit elektronischen Komponenten sowie der Mikromechanik aufgeführt. Schäfer (1999) beschäftigte sich mit der Montage von Mikrolinsen für Endoskope und anderen mikrooptischen Systemen auch aus der Datenverarbeitung, wobei die Justagegenauigkeiten im unteren Mikrometerbereich anzusiedeln sind. Optische Elemente werden sehr häufig in Fassungen und Aufnahmen geklebt. Der Klebstoff wird durch Bewegung verteilt, worauf das Bauteil genau justiert und der Klebstoff ausgehärtet wird. Oft wird die Funktion der optischen Bauteile genutzt, um die genaue Position festzulegen. Bei diffraktiven und refraktiven Elementen kann die Abbildung eines Referenzstrahls, bei Laserdioden und anderen emittierenden Bauteilen eine Referenzoptik verwendet werden (Guyenot 1996). Schäfer (1999) stellt hohe Anforderungen an den Greifer. Eine Positionserkennung des Bauteils am Greifer sei für die Montagegenauigkeit unerlässlich, der Greifer müsse hohe Querkräfte aufnehmen können (Bewegen des Bauteils im Klebstoffbett) und die optischen Oberflächen dürften während des Greifvorgangs nicht beschädigt werden. Nienhaus (1999) untersuchte die Montage von berührungsempfindlichen HF-Komponenten. Wichtig ist eine reproduzierbare Schaltungsgeometrie zur Sicherstellung der Funktion der Schaltung. Unterschiedliche Fügetoleranzen resultieren in unterschiedlich langen Leiterbahnen zwischen den Funktionsbausteinen und führen bei Hochfrequenzanwendungen zu Signalverlusten und Störungen. Um die einzelnen Bauteile mit einer Platziertoleranz von ±7 µm und einer Chipparallelität von 0,5 µm bei einem Abstand von 12 µm setzen zu können, wurden Flipchips (unterseitenstrukturierte Bauteile, die kopfüber mit den Kontakten direkt auf die Leiterplatte, das Substrat montiert werden) und andere elektronische Bauteile eingesetzt, die an der Oberseite mit Bändchen untereinander verbunden wurden. Eine Kontamination der empfindlichen Chipstrukturen ist generell zu vermeiden. Speziell empfindliche Strukturen wie Goldbumps und Goldbändchen auf der Oberfläche dürfen nicht berührt werden. Die Bauteilgröße lag bei 0,2 bis 10 mm Kantenlänge mit Dicken zwischen 80 und 500 µm, was ein seitliches Greifen der Bauteile erschwert. Gleichzeitig ist ein Umgreifen der Bauteile unmöglich, um eine Verschmutzung des Greifers mit Leitkleber zu vermeiden. Da stoffschlüssige Greifer wegen der Kontamination der Oberflächen nicht einsetzbar waren, wurde für die Montage eigens ein Saugglockengreifer entwickelt, der die Bauteile trotz der empfindlichen Strukturen 10

29 2.2 Montageaufgabenstellungen in der Mikrosystemtechnik von oben greifen kann. Auf den Chips wurden spezielle Auflageflächen vorgesehen, auf denen die einzelnen Abstandshalter der Saugglocke aufsetzen. Müller (2001) betrachtete das Fügen kleiner Zahnräder bei mikrotechnischen Getrieben. Das Ausrichten der Zähne zueinander konnte nur durch gegenseitige Ausgleichs- und Findebewegungen gelöst werden. Falls die Zähne nicht einander ausweichen können, ist Zahnbeschädigung und damit der Ausfall des gesamten Getriebes die Folge. Anstelle der sehr aufwändigen Methode des aktiven Ausrichtens mit Sensorführung und bildverarbeitender Software ist bisher nur ein einziges Mal die rein passive Ausrichtung bei der Montage von Uhrwerken für Armbanduhren untersucht worden (Höhn 1997). Essentiell dabei ist eine bestmögliche Reibungsfreiheit um die Drehachse der Einzelteile bei guter axialer Führung. Diese drei nur exemplarisch angerissenen Beispiele zeigen, dass die unterschiedlichen Montageaufgaben für miniaturisierte Systeme jeweils spezifische Lösungsansätze benötigen. Nienhaus (1999) stellt fest: Die hierfür erforderlichen Mikromontagetechniken stellen jedoch vielfach noch den Engpass im gesamten Fertigungszyklus dieser Produkte dar. Eine ähnliche Aussage trifft Fischer (1997): Die Montage gestalte sich zunehmend komplexer, Mikrosysteme würden nicht mehr nur auf einer Ebene aufgebaut, wobei die erforderliche Genauigkeit bei immer kleineren, filigraneren und damit empfindlicheren Bauteilen und Oberflächen zunehme. Erschwert wird die Situation durch die bereits angesprochene Zunahme der Varianten und den Einzug der Mikrosystemtechnik in Spezialanwendungen und kundenspezifische Produkte. Dies bringt kleine Stückzahlen mit sich. Bisher stellt die manuelle Fertigung die einzige Möglichkeit dar, diese Produkte wirtschaftlich zu produzieren. Bei steigenden Stückzahlen sind für eine Automatisierung große Hürden zu überwinden, da oft ganze Abläufe umgestellt werden müssen (Fischer 1999). Eine einfache Skalierung der herkömmlichen Montagemethoden ist dabei nicht möglich Einschränkende Bauteileigenschaften für die Montage Mikrosysteme weisen für die herkömmliche Montage mehrere ungewohnte Eigenschaften auf, die bekannte Vorgehensweisen erschweren und vielfach zu einem Umdenken zwingen. Im Folgenden werden einzelne Aspekte kurz beleuchtet. Dies betrifft vor allem: neue und empfindliche Materialien, kleine Stückzahlen bei hohem Variantenreichtum, Toleranzprobleme durch kleine Abmessungen, die Umkehrung der Größenverhältnisse zwischen Oberflächen- und Gewichtskräften und die durch die kleinen Dimensionen eingeschränkten Möglichkeiten der verfügbaren Sensortechnik. 11

30 2 Stand der Technik Neben relativ unempfindlichen Ausgangswerkstoffen wie Glas und Silizium finden auch sensible Materialien wie etwa Galliumarsenid, Keramiken und Kunststoffe Verwendung. Beim Einsatz der bekannten Handhabungs- und Fügeverfahren mit nahezu ausschließlich taktilen Betriebsmitteln führt dies zu einer Zunahme der Oberflächenschäden sowie zur Generierung und Verschleppung von Partikeln auf die Bauteile. Letzteres beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit oder resultiert im Totalausfall von einzelnen Mikrosystemen. Darüber hinaus kann die Beschädigung oder Zerstörung eines Wafers zum Verlust des kompletten Nutzens führen. Nienhaus (1999) stellt fest, dass eine Einhaltung von Fertigungstoleranzen nicht mehr so einfach zu realisieren ist wie in der Makrowelt der herkömmlichen Montage. Dagegen sprechen zum einen schlecht kontrollierbare abtragende Prozesse, zum anderen aber schlicht die Größenverhältnisse. Betragen die erreichbaren Genauigkeiten bei Makrobauteilen mit 100 mm Größe unter 10 µm, entspräche dies bei Ausrichtestrukturen im oberen Mikrometerbereich bereits einigen Nanometern, was sich mit spanenden Prozessen vor allem an den Außenkonturen der Bauteile sehr aufwändig und teuer gestaltet. Ausrichtestrukturen können dabei alles sein, woran sich die Montage orientieren kann. In der Regel sind dies funktionale Strukturen wie Leiterbahnen (vor allem die Anschlüsse), Spiegel zum Ausrichten der Glasfaser darauf, emittierende Stellen bei Dioden und ähnliches, auf den Substraten Vias (Öffnungen), Gräben und Absätze. Diese Strukturen werden in der Regel im Nutzen (Wafer) gefertigt und weisen daher eine hohe Präzision auf. Ganz im Gegensatz dazu sind die Bauteilkanten bei den Herstellungsverfahren der Halbleiterindustrie in der Regel sehr ungenau. Daher können die meisten Fertigungsverfahren keine effizienten Fügehilfen zur Verfügung stellen. In der Siliziumtechnik resultiert diese Tatsache auch aus der eingeschränkten Strukturierungsmöglichkeit des Materials, das aufgrund der Kristallstruktur bei den einfach auszuführenden Verfahren wie Ätzen nur bestimmte Winkel zulässt. Einführschrägen mit beliebig angepassten Winkeln sind meist nicht möglich. Präzise Montagevorgänge müssen sich daher immer an den funktionalen Strukturen auf Bauteil und Substrat orientieren, um die nötigen Toleranzen zu garantieren. Dies stellt hohe Anforderungen an die Sensorik und Präzision des Montagegerätes und ist in der Regel manuell aufgrund der eingeschränkten Motorik des Menschen ohne unterstützende Positionierhilfsmittel nicht mehr zu realisieren. Eine der größten Einschränkungen für die Mikromontage ergibt sich aus der Größe der Bauteile (vgl. auch Nienhaus 1999, Fischer 1997). Kräfteverhältnisse verändern sich im Vergleich zur herkömmlichen Montage grundlegend. Dies betrifft zum einen das Verhältnis von Volumen- zu Oberflächenkräften. Elektrostatische Aufladung, Van-der-Waals-Kräfte, chemische Bindungskräfte oder Haftkräfte aufgrund von Oberflächenfeuchtigkeit nehmen mit der Fläche nur quadratisch, Gewichtskräfte dagegen in der dritten Potenz ab. Dies hat zur Folge, dass bei Bauteilen unter 1 mm Kantenlänge die Oberflächenkräfte dominieren und kleinere Bauteile sich nicht mehr selbständig durch die Schwerkraft von Greifern oder aus Magazinen lösen. Zöppig (1998) fordert daher, dass die Haltekräfte eines Greifers die Adhäsionskräfte des Bauteils gegenüber der Umgebung um eine 10er-Potenz übertreffen müssen. Er beschreibt die Wirkmechanismen und Reichweiten der einzelnen Kräfte. Als Maßnahmen gegen ungewolltes Halten von Bauteilen schlägt er für eine Minimierung der wirksamen Kontaktflächen die 12

31 2.2 Montageaufgabenstellungen in der Mikrosystemtechnik Anwendung kleiner Greifkräfte und die Verwendung harter Materialien vor, durch die sich vor allem Van-der-Waals-Kräfte verringern lassen. Einen wesentlich größeren Einfluss auf den Greifprozess haben Kapillarkräfte und Wasserstoffbrückenbindungen sowie die im Prozess unkontrolliert entstehende elektrostatische Aufladung. Als relativ schwache und aufwändige Gegenmaßnahmen stehen hier nur spezielle Beschichtungen, das Erden und Schirmen der Greifflächen sowie die Senkung der Luftfeuchtigkeit und die Verwendung trockener Prozessgase zur Verfügung. Genau konträr zu den auftretenden Oberflächenkräften entwickeln sich die Belastungen der Bauteile selbst. Bei gleichbleibender Kraft steigt die Flächenpressung umgekehrt proportional zur Fläche, also quadratisch zu der Abnahme der Abmessungen. Nicht nur bei spröden und empfindlichen Werkstoffen entstehen dadurch schnell Überbelastungen und Schäden. Dies gilt umso mehr, wenn manuelle Tätigkeiten durchgeführt werden müssen. Die mit zunehmender Genauigkeit sinkende menschliche Kraftauflösung zusammen mit unvermeidbarem Zittern der Hand führt zu unkontrollierter Kraftaufbringung auf die Bauteile und unpräzisen Bewegungen. Sehr oft kann dieser Skalierungssprung zwischen Mikro- und Makrowelt nur durch Füge- und Montagehilfen sowie produktspezifische Zuführ-, Greif- und Magaziniertechnik beherrscht werden. Bei vielen automatischen Greifprozessen ist eine integrierte Fügekraftkontrolle wegen Ungenauigkeiten in der Bauteilbereitstellung ebenfalls unverzichtbar. Die kleinen Abmessungen reduzieren auch die Möglichkeiten der Sensorik. Zum Vermessen der Bauteilposition werden aufgrund der oben schon erwähnten Toleranzproblematik bei den Abmessungen häufig optische Systeme eingesetzt. An diese stellen sich sehr hohe Anforderungen. Zur leichteren Integration in die Montagesysteme ist es vorteilhaft, sie möglichst klein zu gestalten, wobei ein Optimum unter Berücksichtigung der anderen Anforderungen wie Schärfentiefe und starker Vergrößerung zu finden ist, welche beide eine große Apertur und daher eher größere Abmessungen erfordern. Vor allem zur Lösung der Aufgabe, eine Art Standardisierung der Vorgehensweise zumindest bei der Bestimmung der Fügereihenfolge und der Auswahl der für die Fügestrategie notwendigen Sensorik zu finden, entwickelte Höhn (2001) eine Klassifizierung der Montageprozesse. Er ordnete die Vielfalt der Prozesse nach den Gesichtspunkten der Montage und unterschied in drei grundsätzliche Anordnungen der Referenzstrukturen zueinander. Eine Referenzstruktur kann ein beliebiges sensorisch erfassbares Merkmal des Bauteils sein, z. B. die Außenkontur, funktionelle Flächen oder eigens angebrachte Positioniermarken. Jede der drei Anordnungen stellt eigene Ansprüche an die Montageprozesse und die Messeinrichtungen. Eine schematische Darstellung gibt Abbildung 3. Die erste Anordnung zeigt auf dem Bauteil oben angeordnete Strukturen, die zu Strukturen auf dem Substrat ausgerichtet werden, welche auch nach der Montage noch sichtbar und einer Qualitätskontrolle zugänglich sind. Beispiele hierfür können Zahnräder sein, deren Zähne ineinander greifen, oder elektronische Bauteile neben ihren Kontaktpads. In der zweiten Anordnung werden die Strukturen durch den Montagevorgang verdeckt. Die dritte Anordnung zeigt eine Ausrichtung von gegenüberliegenden Strukturen zueinander, wie beim Bonden zweier Wafer oder der Montage von unterseitenstrukturierten Bauteilen (Flipchips). 13

32 2 Stand der Technik Diese Klassifizierung beinhaltet prinzipiell nicht nur planare Halbleiterbauteile, sondern e- benso 3D-Strukturen wie optische Komponenten mit gewölbten Oberflächen oder beliebig geformte bzw. längliche biegeschlaffe Komponenten wie Drähte und Fasern. 1. Art 2. Art 3. Art Abbildung 3: Klassifizierung der Montageprozesse anhand der Lage der Strukturen für das Ausrichten der Bauteile zueinander: 1. Art: von oben zugängliche Strukturen auf Bauteil und Substrat, während des gesamten Prozesses zugänglich; 2. Art: die unteren Strukturen sind nach dem Fügen verdeckt; 3. Art: beide Strukturen sind nach dem Fügen verdeckt Jedoch kann diese Klassifizierung bisher nur die Richtung für eine Einteilung der Fügeprozesse weisen. Viele Detailprobleme aufgrund der oben genannten Bauteileigenschaften, insbesondere die schonende Handhabung, eine Standardisierung der Fügeprozesse und qualitätssichernde Sensorik warten noch auf den Schritt von der Forschung in die industrielle Anwendung. Bei der Gestaltung des Montageprozesses ist aus all diesen Gründen darauf zu achten, mit Hilfe montagegerechter Konstruktionen möglichst einfache Prozesse zu realisieren. Es ist daher sehr schwierig, universell einsetzbare Betriebsmittel zu entwickeln, die für eine Vielzahl von Prozessen einsetzbar sind und die genannten Nebenbedingungen erfüllen. Daher sind speziell für die flexible Montage kleiner bis mittlerer Stückzahlen bis heute keine adäquaten Montagesysteme auf dem Markt (Höhn 2001, Nienhaus 1999). Lediglich in einzelnen Spezialanwendungen wie der Medizintechnik und Messtechnik sind neben der meist eingesetzten manuellen Montage mit Hilfe von Stereomikroskopen angepasste (teil-)automatisierte Betriebsmittel wirtschaftlich. Ebenfalls ist eine automatisierte Montage von komplizierteren mikromechanischen Systemen wie Getrieben heute noch nicht wirtschaftlich realisierbar (Müller 2001). Die Mehrheit der derzeit eingesetzten Betriebsmittel ist hoch spezialisiert auf angepasste oder standardisierte Produkte mit großen Stückzahlen (Schweigert 1994, Wicht 1996). 14

33 2.3 Greifertechnologien 2.3 Greifertechnologien Grundlegende Klärung der Begriffe Basis für die Montagevorgänge, die Zuführung zu Fertigungsprozessen und die Bauteillogistik ist die Handhabungstechnik, deren fundamentale Funktionen in VDI 2860 definiert sind. Dies sind im Einzelnen: Speichern von Bauteilen, realisiert durch Vorratsbehälter (teilgeordnetes oder ungeordnetes Speichern), Magazine und Puffer (geordnetes Speichern) Verändern von Mengen, also Abteilen, Zuteilen, Verzweigen, Zusammenführen und Sortieren Bewegen mit den Teilfunktionen Drehen, Verschieben, Schwenken, Orientieren, Positionieren, Ordnen, Führen und Weitergeben Sichern mit der Unterteilung Halten, Lösen, Spannen und Entspannen Kontrollieren (Prüfen) nach den Merkmalen Anwesenheit, Identität, Form, Größe, Farbe, Gewicht, Position und Orientierung sowie Messen und Zählen Ein Greifer sei in dieser Arbeit definiert als eine Einrichtung zur Handhabung und Manipulation von Objekten am Ende eines Greiferführungsgetriebes (z. B. Roboter). Er dient primär zum Spannen eines Werkstücks, also zum Sichern der Position und Festlegen einzelner Komponenten des Koordinatensystems des Werkstücks relativ zum Greiferkoordinatensystem. Letzteres kann über das Greiferführungsgetriebe im Raum gezielt bewegt werden, was zu einer definierten Ausrichtung und Positionierung des Werkstücks führt (vgl. VDI 2860). Nach der Positionierung des Werkstücks wird das Bauteil aktiv oder passiv vom Greifer gelöst. Die unterschiedlichen Greifprinzipien werden in den folgenden Abschnitten näher untersucht. Der Stand der Technik kennt bisher fast ausschließlich taktile Greifprinzipien, die auf dem Kontakt fester Körper beruhen und über Kraftschluss (Reibung), Formschluss oder Stoffschluss die Position des Werkstücks festlegen. Fügen nach DIN 8593 (DIN 85) bezeichnet das dauerhafte Verbinden mehrerer Körper oder von Körpern mit formlosem Stoff. Dies erfolgt bei kleinen Bauteilen durch die Mikromontage. Letztere ist oft gleichbedeutend mit dem Begriff Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), der aus der Halbleiterindustrie stammt, jedoch unterliegen die Begrifflichkeiten einem steten Wandel. Beiden Technologien ist gemeinsam, dass sowohl Techniken zum Lagern, Aufnehmen, Transportieren und Ausrichten der Bauteile, Sensorikfragen, die endgültige Verbindung und Festlegung der Bauteile am Fügeort wie auch Fragen der elektrischen und in der MST auch fluidischen und optischen Kontaktierung beinhaltet sind. Die Mikromontage umfasst dabei eher serielle Prozesse, während die AVT eher parallele Prozesse bezeichnet (Nienhaus 1999). Mit den immer kleineren Strukturen der Halbleiterindustrie und wachsender Produktvielfalt in der MST verschwimmen die Grenzen zunehmend (Heuberger 1996). 15

34 2 Stand der Technik Wirkprinzipien, Greifphasen und notwendige Subsysteme Als Systematik für die Einteilung der vielen unterschiedlichen Greiftypen kann man Greifer und Spanner nach vier typischen Wirkprinzipien unterscheiden (Hesse 1991 und Fischer 1997): Beim Halten durch Umschließen (Formschluss) wird die Greiferkontur an die Griffkontur partiell angepasst. Die Objekte werden durch teilweises oder vollständiges Umschließen fixiert. Beim Halten durch reines Spannen (Kraftschluss) werden die Werkstücke allein durch Reibkräfte festgelegt. Das teilweise Spannen (Formschluss und Kraftschluss) ist eine Kombination aus den beiden zuvor genannten Verfahren: Das Objekt wird teils durch kraft-, teils durch formschlüssige Elemente gehalten. Beim Halten durch Kraftfelder (Haftgriff) werden die Werkstücke durch Unterdruck, elektrostatische Kräfte, Magnetfelder oder Adhäsivkräfte an die Greif- und Spannvorrichtung gezogen. Hesse (1991) teilt die Greifer weiter nach den realisierten Funktionen ein. Er nennt dabei Fingergreifer mit pneumatischen und gelenkigen Fingern, die meist formschlüssig wirken, federoder gewichtsbelastete Klemmgreifer, Zangengreifer, Scherengreifer, Parallelgreifer und Schwenkgreifer, die einen Reibschluss erzeugen, sowie Haftgreifer. Zu ergänzen sind noch berührungslose Prinzipien, die Bauteile über Kraftfeldern zum Schweben bringen. Der Greifprozess selbst lässt sich unterteilen in die verschiedenen Phasen Aufnehmen, Halten und Ablegen (Grutzeck 2000): Beim Aufnehmen wird eine Verbindung zwischen dem Greifer und dem Greifobjekt hergestellt. Gleichzeitig ist das Greifobjekt aus dem Greifobjektverbund zu trennen. Dies betrifft besonders Adhäsions- und Reibungskräfte zwischen der Bereitstellungsvorrichtung und dem Greifobjekt. Gleichzeitig sind beim Greifvorgang Toleranzen in der Greifobjektlage durch den Greifer auszugleichen. Oft wird dabei aktiv die Bauteillage korrigiert oder die abschließende Position am Greifer festgestellt. Anschließend folgt die Phase Halten. Die Verbindung zwischen Greifer und Greifobjekt muss zuverlässig aufrechterhalten werden. Dies betrifft das statische Halten eines Greifobjekts gegen die Gewichtskraft und andere statisch anliegende Kräfte wie Kräfte aus Magnetfeldern oder umströmenden Medien. Hinzu kommen dynamische Einflüsse auf das Greifobjekt. Dies sind Trägheitskräfte bei Beschleunigungen und Maschinenschwingungen und zusätzlich die prozessbedingten Kräfte. In der Mikromontage entstehen diese Kräfte aus Prüfvorgängen, Fügeprozessen wie dem Absetzen und Anpressen im Klebstoffbad sowie dem aktiven Ausrichten am Zielort. DieletztePhaseistdasAblegen: Die Verbindung zwischen Greifobjekt und Greifer muss aktiv oder passiv gelöst werden. Dies betrifft vor allem ein Überwinden von unerwünschten Haft- und Reibungskräften beim Ablegen. Eventuell sind gleichzeitig Fügekräfte auf das Bau- 16

35 2.3 Greifertechnologien teil aufzubringen. Bei den verschiedenen Greifprinzipien sind diese Kräfte sehr unterschiedlicher Herkunft. Beim elektromagnetischen Greifen müssen Restremanenzen überwunden werden, bei taktilen Greifverfahren sind unerwünschte elektrostatische Aufladungen zu beseitigen sowie Oberflächenhaftkräfte zu überwinden. Zur Realisierung dieser Funktionen sind verschiedene Subsysteme in das Greifsystem zu integrieren: Das Antriebssystem stellt Energie zur Erzeugung der Greif- bzw. Spannkraft sowie für zusätzliche Bewegungen bereit. Ein Trägersystem verbindet durch einen Grundkörper die einzelnen Funktionselemente und stellt die Verbindung zum Greiferführungsgetriebe über einen Anschlussflansch her. Ein Sensorsystem nimmt über integrierte Sensorikelemente Messgrößen auf, meist die Anwesenheit des Bauteils, oft auch Informationen über Greifkraft, Fügekraft und korrekte Position des Bauteils. Ein Schutzsystem verhindert Kollisionen oder vermindert deren Auswirkungen. Dies kann aktiv über geschlossene Regelkreise und geeignete Sensorik, z. B. für den Abstand des Greifers zu umgebenden Bauteilen oder passiv über nachgiebige Elemente bzw. integrierte Komplienz realisiert werden. Ziel ist die Verhinderung von Beschädigungen an Bauteil, Substrat und Greifer. Das Wirksystem stellt den unmittelbaren Kontakt zum Werkstück her und überträgt die eigentlichen Greifkräfte. Ein Steuerungssystem steuert die Greif- und Spannvorrichtung und verarbeitet die erfassten Sensorinformationen und die Steuerbefehle aus dem Prozess Anforderungen an Greifer für die Mikromontage Verschiedene Vorarbeiten (Bark 1998, Fischer 1997) haben sich bereits intensiv mit Anforderungen an Greifer für miniaturisierte Systeme beschäftigt. Die kleinen Abmessungen bringen einige Randbedingungen mit sich, auf die die Greifsysteme flexibel zu reagieren fähig sein müssen. Dies betrifft zunächst die Größe. Ein Greifer muss Bauteilgeometrien mit Abmessungen zwischen 0,1 und 10 mm genau genug greifen können, um die Bauteile mit Positionstoleranzen von 0,1 bis 20 µm montieren zu können. Bei der Bauteilaufnahme können Positionstoleranzen von über 0,05 mm sowie Winkelfehler bis zu 10 auftreten, die auszugleichen sind. Meist wird dies aktiv über geeignete Sensorik und Steuerungstechnik realisiert, da ein passiver Toleranzausgleich mit Ausgleichsbewegungen im Mikrometerbereich schwer zu realisieren und damit sehr unzuverlässig ist und zusätzliche Ungenauigkeit in der Bauteilbereitstellung mit sich bringt. Die Genauigkeit stellt hohe Anforderungen an den möglichst einfachen Werkzeugwechsel und eine standardisierte Greiferschnittstelle zum Handhabungsgerät. 17

36 2 Stand der Technik Bei der Montage selbst dürfen keine Bauteile in Mitleidenschaft gezogen werden, die bereits montiert wurden. Eine Platz sparende Bauweise sowie ein geringer Bestückschatten sind dafür sehr wichtig. Seitlich am Bauteil angreifende Greiferkomponenten sind so schmal wie möglich auszuführen. Gleichzeitig dürfen die aktive Bauteilseite, meist die Oberseite, und empfindliche Funktionsoberflächen nicht beschädigt werden. Dies kann ein Greifen von Bauteilen mit nur einer Grifffläche nötig machen (zur besseren Unterscheidung wird die beteiligte Fläche des Greifers Greiffläche, die des Bauteils Grifffläche genannt). Es ist ebenfalls wichtig, keine Rückstände aus dem Greifprozess wie Abrieb oder verwendete Greifmedien (Adhäsive) auf den Griffflächen zurückzulassen, welche die Bauteilfunktion oder nachgelagerte Prozessschritte (Bonden, Löten, Schweißen) beeinträchtigen könnten. Dies korreliert mit der Reinraumtauglichkeit, die durch die Vermeidung von Partikeln durch abriebfeste Werkstoffe und gekapselte Bauweise zum Ziel gekennzeichnet ist. Beim Ablösen der Bauteile vom Greifer ist es wichtig, keine Kraftspitzen zu erzeugen, um die gesetzten Bauteile und die Substrate nicht zu beschädigen. Trotz dieser zusätzlichen Anforderungen soll der gesamte Greifprozess so schnell wie möglich erfolgen, eine Taktzeit von unter einer Sekunde ist anzustreben Stand der Technik bei taktilen, mechanischen Greifern Bisher gehen im Bereich der Greiftechnik für miniaturisierte Bauteile nahezu alle Ansätze von einer taktilen Handhabung, also einem mechanischen Kontakt zwischen Greifer und Handhabungsobjekt aus. Es sind vor allem mechanische Greifer zur kraft- und formschlüssigen Handhabung der Bauteile und Sauggreifer zur Handhabung der Bauteile mittels Unterdruck realisiert. Diese beiden Gruppen repräsentieren jeweils über 40 % der eingesetzten Greifer. Verschwindend geringe Anteile an Greifern mit magnetischen, adhäsiven und elektrostatischen Prinzipien sowie dem Stehwelleneffekt im Ultraschallfeld und dem Einsatz der Oberflächenspannung von Wasser bilden den Rest des Spektrums (Bark 1998). Bei miniaturisierten konventionell mechanischen Greifern existieren viele Varianten und Einsatzmöglichkeiten, da sie sehr flexibel auf Bauteile anpassbar sind. Gegriffene Bauteile können beim Greifen automatisch über die Greifbacken o. Ä. zentriert und damit beim Aufnehmen orientiert werden. Im Mikrobereich erfordern gerade diese eigentlich vorteilhaften Merkmale viele Anpassungen. Um die Bauteile nicht zu beschädigen, muss eine Greifkraftbegrenzung integriert und wegen fehlender inhärenter Komplienz in Greifrichtung eine Abstandskontrolle vorgesehen werden. Daher wurde in verschiedenen Forschungsvorhaben untersucht, wie die Greifkräfte durch Aufbringen von Dehnmessstreifen (DMS) oder piezoresistiven Schichten auf die Greifbacken sehr genau zu messen und zu regeln sind (Hankes 1998, Salim 1996, Henschke 1994). Allerdings ist die zur Erfassung der Greifkräfte mittels DMS erforderliche Nachgiebigkeit der Greifbacken der Erzielung einer hohen Wiederhol- und Zentriergenauigkeit hinderlich. Zudem sind der Integration hochauflösender Kraftsensorik bei weiterer Miniaturisierung der Greifer Grenzen gesetzt. Die präzise Greifkontrolle erfordert eine relativ aufwändige Rege- 18

37 2.3 Greifertechnologien lung, z. B. als Kombination aus Lage- und Kraftregelung, um eine Überschreitung der zulässigen Greifkraft beim erstmaligen Auftreffen der Greifbacken auf das Greifobjekt zu verhindern (Hesselbach 1996). Die Greifbacken wirken prinzipbedingt an den Seitenflächen des Bauteils, wodurch immer ein Bestückschatten vorhanden ist. Dies führt vor allem bei flachen Bauteilen zu hohen Flächenpressungen an den Bauteilkanten. Es impliziert auch, dass immer mindestens zwei Griffflächen vorhanden sein und die Lagetoleranzen zwischen den Bauteilkanten und den Funktionsstrukturen sehr genau eingehalten werden müssen, um eine hohe Montagegenauigkeit zu erzielen. Beim Ablegen der Bauteile ist der Fügeprozess derart zu gestalten, dass der Greifer nicht durch Fügemedien wie Lot oder Klebstoff verschmutzt werden kann. Bei weiteren Greif- und Ablegevorgängen kann ein verschmutzter Greifer keine stabilen Prozesse mehr garantieren. Um diesen Punkten zu begegnen, wurden neue Technologien eingeführt und hochspezialisierte Greifer entwickelt. Zur besseren Dosierung der Greifkraft kommen zunehmend neue Aktoren auf der Basis von Magnetostriktion, Thermobimetallen, Polymergelen, Formgedächtnislegierungen (Hesselbach 1997), Tauchspulantrieben (Henschke 1994) und Piezoaktoren (Morishita 1993, Ando 1990, Salim 1996) statt der herkömmlichen Prinzipien mit Elektromotoren, Magneten und hydraulischen und pneumatischen Antrieben zum Einsatz. Auch in der Gestaltung der Greifer sind Anpassungen nötig. Der konventionelle Aufbau mit gewöhnlichen Übertragungs- und Getriebeelementen, wie er von Fischer (1997) und Zühlke (1997) vorgeschlagen wird, setzt der Greiferminiaturisierung Grenzen. Diese Elemente sind abrieb- und reibungsbehaftet und eignen sich daher nur sehr bedingt für die Mikromontage unter sehr sauberen Reinraumbedingungen. Als Folge der Reibung treten Verschleiß, Stick-Slip-Effekte und Spiel auf, die dem Ziel einer hohen Wiederhol- und Zentriergenauigkeit im Wege stehen und die Montagegenauigkeit verschlechtern. Damit wird eine wesentliche Forderung an Greifer für die Mikromontage nicht erfüllt. Hohe Wiederhol- und Zentriergenauigkeit ermöglicht erst die oben schon genannte Zentrierung der Bauteile durch den Greifvorgang selbst ohne zusätzliche Sensorik. Nur so können aufwändige, hochpräzise Teilebereitstellungseinrichtungen oder teure und störungsanfällige Sensoriklösungen entfallen, die zum aktiven Toleranzausgleich nötig wären. Zur Vermeidung von Stick-Slip-, spiel-, verschleiß- und abriebbehafteten Reibpaarungen wurden daher miniaturisierte, strukturelastische Zangengreifer mit Festkörpergelenken und Festkörperaktoren (Hesselbach 1995, Salim 1996, Christen 1996, Tanikawa 1995) oder Tauchspulenantrieb (Zöppig 1997, Henschke 1994) entwickelt, allerdings mit dem Nachteil einer eingeschränkten Beweglichkeit der Greiferbacken. Durch den kraft- bzw. formschlüssigen Kontakt zwischen Greiferbacke und Greifobjekt besteht auch bei diesen Greifern prinzipiell die Gefahr einer durch Abrieb an den Greiferbacken verursachten Partikelverschleppung auf das Greifobjekt. Die exakte Zentrierung der Greifobjekte erfordert zudem eine komplexe Kinematik in Form von strukturelastischen Koppelmechanismen (Hesselbach 1996). Prinzipbedingt bleibt aber auch die Präzision dieses Greifprinzips durch Hystereseeffekte, Elastizitä- 19

38 2 Stand der Technik ten sowie Alterung und Materialermüdung, insbesondere in den stoffschlüssigen Festkörper- Biegegelenken, begrenzt. Daher hat die Mehrheit der erwähnten Systeme den Bereich der Forschung und Entwicklung noch nicht verlassen. Im industriellen Umfeld werden kleine Stückzahlen immer noch manuell mit Hilfe hochfeiner Pinzetten und optischer Visualisierungssysteme (meist Stereomikroskope) montiert. Nach und nach setzen sich einzelne teilautomatisierte Systeme mit mechanischen Greifern auch hier durch Stand der Technik bei taktilen fluidischen Greifern Die Montage großer Stückzahlen in der Mikrosystemtechnik wird vor allem mit Hilfe von angepassten Halbleiterfertigungseinrichtungen automatisiert. Hier kommen meist Vakuumgreifer zum Einsatz. Vakuumgreifer sind sehr flexibel und weitgehend geometrieunabhängig, solange die Bauteile eine ebene Fläche bieten, auf denen eine gute Verbindung zum Greifer möglich wird. Der einfache Aufbau der Greifer macht die Anpassung an unterschiedliche Bauteilgrößen unkompliziert und preiswert. Die Greifer arbeiten entweder mit einem statisch aufgebauten Unterdruck (Zöppig 1997, Spath & Thiess 1996, Guyenot 1996, Henschke 1994) oder mit Kräften, die durch den Strömungswiderstand der Bauteile im Luftstrom erzeugt werden (Nienhaus 1996, Nienhaus 1997). Sie ermöglichen einen direkten Zugriff von oben auf das Handhabungsobjekt. Daher benötigen sie im Gegensatz zu den Backen- und Pinzettengreifern nur eine einzige zugängliche Bauteiloberfläche. Solange keine mechanische Zentrierung mittels Zentrierfasen und der Greifergeometrie eingesetzt wird, entsteht kein Bestückschatten (Bark 1998). Auch der Greifer wird nicht verschmutzt. Die in der Halbleitermontage verbreiteten Die-Collets, die mit schrägen Dichtflächen an den Bauteilkanten ansetzen ohne die strukturierte Bauteiloberfläche zu berühren, sind wegen der oft einzuhaltenden minimalen lateralen Abstände beim Platzieren mehrerer Bauelemente zueinander nicht geeignet. Diese mechanischen Zentriereinrichtungen können durch die schlechte Ausrichtbarkeit der Bauteile zudem nur bei geringen Präzisionsanforderungen verwendet werden. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen, wie sie in der Mikromontage vorliegen, wird daher eine optische Zentrierung, d. h. eine Vermessung der Bauteilposition am Greifer mittels Bildverarbeitung, notwendig (Zöppig 1997, Nienhaus 1997, Henschke 1994), um unvermeidbare Bereitstellungs- und Greiftoleranzen kompensieren zu können. Dies bedeutet die Notwendigkeit einer Zwischenstation oder Messstation für die Bauteilausrichtung beziehungsweise eine aufwändige Integration optischer Systeme in das Geifersystem. Auf der Bauteilseite besteht durch den taktilen Kontakt der Saugerfläche mit der Grifffläche stets die Gefahr der Verschmutzung durch Abrieb und der Beschädigung durch den Kontakt an sich. Reine Vakuumgreifer sind daher keinesfalls für die Handhabung von Bauteilen mit empfindlichen Oberflächenstrukturen (z. B. schmale Wellenleiterstrukturen, Airbridges oder Gitterstrukturen) geeignet. Hinzu kommt die fehlende, nur aufwändig zu realisierende Komplienz in Fügerichtung. 20

39 2.3 Greifertechnologien Der einzige bekannte Ansatz für das Greifen empfindlicher Oberflächen ist ein von Nienhaus (1999) entwickelter Saugglockengreifer (Schutzrecht DE A1). Mittels Abstandshaltern setzt dieser Greifer nur noch auf den berührungsunempfindlichen Freiflächen der Chipoberfläche auf und hält das Bauteil durch dessen Strömungswiderstand. Die Abstandshalter müssen jeweils an die spezifische Chip-Struktur angepasst werden, was eine geringe Bauteilflexibilität und einen hohen Anpassungsaufwand eines damit bauteilspezifischen Greifers zur Folge hat. Die korrekte Chip-Greifer-Ausrichtung erfordert eine hohe Positioniergenauigkeit des Greifers zum Bauteil in der Bereitstellungseinrichtung, die aufgrund der fehlenden Selbstzentrierung zum exakten Aufsetzen der Abstandhalter auf die extrem kleinen Freiflächen notwendig ist und nur durch den Einsatz teurer Sensorik (Bildverarbeitung) erreicht werden kann Nachteile taktilen Greifens Abschließend sollen noch einmal die wesentlichen, prinzipiellen Probleme der taktilen Handhabung bei mechanischen Backengreifern und Sauggreifern zusammengefasst werden: Kontaminationsgefahr durch Partikelverschleppung auf das gegriffene Bauteil, bedingt durch mechanischen Abrieb in der Kontaktzone zwischen Greiffläche und Grifffläche des Bauteils, Gefahr der Beschädigung der miniaturisierten Bauteile, bedingt durch Überschreitung der zulässigen Flächenpressung in den sehr kleinen Griffflächen und Überbelastungen durch Kraftspitzen beim Ablegen der Bauteile, verschärft durch den Einsatz von spröden bzw. bruchempfindlichen Bauteilwerkstoffen (z. B. InP, GaAs), Berührung von berührungsempfindlichen Bauteiloberflächenstrukturen, begrenzte Wiederhol- und Zentriergenauigkeit mechanischer Greifer infolge spiel-, Stick-Slip- und hysteresebehafteter Konstruktionselemente und geringe Wiederholgenauigkeit und fehlende Selbstzentrierung bei Sauggreifern. Diese Nachteile können durch den konsequenten Einsatz berührungsloser Handhabung vermieden werden. In den folgenden Abschnitten werden daher realisierte Technologien aus dem Mikro- und Makrobereich vorgestellt, mit denen berührungslos Kräfte auf Bauteile ausgeübt werden. 21

40 2 Stand der Technik 2.4 Bekannte Beispiele für Technologien zur berührungslosen Kraftaufbringung Definition berührungslose Handhabung Höppner (2002) hat in seiner Arbeit über die berührungslose Handhabung mit Ultraschall das berührungslose Handhaben von Teilen folgendermaßen definiert: Unter berührungsloser Handhabung versteht man das Schaffen, definierte Verändern oder vorübergehende Aufrechterhalten einer vorgegebenen räumlichen Anordnung von geometrisch bestimmten Körpern in einem Bezugskoordinatensystem, wobei die hierfür nötigen Kräfte und/oder Momente ohne mechanischen Kontakt übertragen werden. Damit werden aber Medien zugelassen, die sich auf die Bauteile negativ auswirken können, wie Fluide (Alkohole etc.), die sich nicht rückstandsfrei wieder entfernen lassen oder eine Partikelkonzentration auf den Bauteilen fördern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll daher diese Definition eingeschränkt werden. Nur Medien, die bereits in der Umgebung des Bauteils vorhanden oder einem vorhandenen Medium äquivalent sind, dürfen im Sinne der Zielsetzung dieser Arbeit während des Handhabungsprozesses zur Krafterzeugung eingesetzt werden. In der Technik sind mehrere Prinzipien bekannt, mit deren Hilfe bereits heute berührungslos Kräfte auf Bauteile oder allgemeiner auf relativ zur Lagerfläche statisch ruhende Körper aufgebracht werden können. In den folgenden Abschnitten werden Systeme aufgeführt, die auf elektrostatischen, magnetischen und fluidischen Effekten beruhen. Die fluidischen Effekte teilen sich nochmals in Luftlager und dynamische Luftströmungen, Bernoulligreifer und ultraschallbasierte Systeme auf. In den folgenden Abschnitten werden realisierte technische Anwendungen beschrieben, eine detailliertere Beschreibung der physikalischen Grundlagen erfolgtinkapitel Elektrostatische Systeme Elektrostatische Effekte eignen sich zum Aufbringen von Kräften unabhängig vom umgebenden Medium. Aufgrund der stark abnehmenden Kraftwirkung bei größeren Abständen sind keine Anwendungen bekannt, bei denen Bauteile berührungslos transportiert werden. Grutzeck (2000) untersuchte taktile Greifer, die elektrostatische Kräfte zum Halten der Bauteile einsetzen. Eine Greiferelektrode erzeugt Influenzladungen im Greifobjekt. Der Greifer zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau ohne mechanische Aktoren aus. Allerdings ist eine Polarisierbarkeit der Greifobjekte notwendig, was die Verwendung von leitenden Materialien weitgehend ausschließt. Die Greifkräfte sind begrenzt, da hohe Potentialdifferenzen Schaltkreise und Bauteilstrukturen zerstören können (Nienhaus 1996). Bei schlecht leitenden Teilen sind Remanenzladungen nach dem Greifvorgang wieder zu entfernen, da sie den Ablegevorgang verhindern können. Weitere Untersuchungen zum elektrostatischen Bauteiltransport wurden an der TU Braunschweig zum Greifen von Kugeln und Bauteilen unter 100 µm Kantenlänge mit einem selbstzentrierenden Greifer durchgeführt (Hesselbach u. a. 2001). 22

41 2.4 Bekannte Beispiele für Technologien zur berührungslosen Kraftaufbringung Neben dem Greifen wird der elektrostatische Krafteffekt vielfach technisch eingesetzt: In der Druckindustrie und bei Kopiergeräten wird Toner elektrostatisch auf die Belichtungswalze aufgetragen, bevor er auf das Papier übertragen und thermisch eingeschmolzen wird. In der Halbleiterindustrie werden zur Fixierung von Wafern vereinzelt elektrostatische Fixiervorrichtungen (Chucks) verwendet. Elektrostatische Kräfte werden zum Zuführen von Mikrosystemen eingesetzt, die auf einem Luftkissen schweben (Gengenbach & Boole 2000). In der Vergangenheit wurden mehrere elektrostatische Greif- und Spannprinzipien erforscht. Ein Beispiel für einen elektrostatischen Greifer beschreibt das Schutzrecht DE A1. Der zu greifende Gegenstand wird an eine mit einer Isolierschicht bedeckte Elektrode gebracht und durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen Gegenstand und Elektrode angezogen. Hierzu muss das Bauteil in gewissem Grad leitfähig und unempfindlich gegenüber elektrostatischer Aufladung sein, was bei Elektronikbauteilen und Mikrosystemen sehr selten der Fall ist. Ein ähnliches System beschreiben Jin und Kanemoto (1995). Hier werden Festplattenscheiben durch ein elektrostatisches Feld in der Schwebe gehalten. Eine aufwändige Regelung gewährleistet eine konstante Schwebehöhe. Durch einen auftretenden Kanteneffekt aufgrund der speziellen Gestaltung des elektrischen Feldes wird die Scheibe gleichzeitig lateral zentriert Magnetsysteme Besser skalierbare Kräfte als bei elektrostatischen Effekten liefern magnetische Systeme in zahlreichen Anwendungen. Eines der häufigsten Produkte ist der Elektromotor in seinen verschiedenen Ausführungen, bei dem zwischen Rotor und Stator magnetische Kräfte berührungslos das Drehmoment erzeugen. Etwas deutlicher in den Bereich Handhabung weist die Magnetlagerung. Große schwere Wellen bzw. sehr schnell laufende Wellen können mit Spulen oder Dauermagneten versehen werden, die sich auf einem anderen statischen Magnetfeld abstützen und eine fast reibungsfreie rotatorische Lagerung bilden. Diese Felder sind sehr zuverlässig und lassen sich gut regeln und skalieren. Dauermagneten sind bei kleinen Anlagen wegen geringerer Wärmeentwicklung vorteilhafter als Spulen, erfordern aber eine höhere Investitionssumme. Bei großen Kräften werden tiefgekühlte Spulen eingesetzt, die sehr effizient hohe Ströme umsetzen können. In dieselbe Kategorie fallen Linearsysteme von einfachen Linearschlitten in der Handhabungstechnik bis hin zum schienengebundenen Personentransportsystem Transrapid, bei denen die berührungslose Lagerung in Verbindung mit einem berührungslosen Antrieb in der Schiene bzw. dem Fahrweg und den Wagen untergebracht ist. Damit lassen sich hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten bei minimaler Reibung und hohe Traglasten realisieren (Transrapid 2004). 23

42 2 Stand der Technik Als eine sehr spezielle Art der berührungslosen Handhabung sei die Stabilisierung des Plasmas bei der Kernfusion erwähnt. Die Schwierigkeit besteht darin, ein sehr heißes Gas durch Magnetfelder und innere Stromeffekte berührungsfrei in einem torusförmigen Gebilde zu halten, ohne dass die Wände berührt und damit Verunreinigungen im Plasma erzeugt werden. Für die Handhabung von Bauteilen aus der Halbleiterindustrie gehen Ford & Koh (1990) auf die Möglichkeit der Levitation von Wafern mit Hilfe von magnetischen Feldern ein (vgl. auch Abschnitt 3.1.7). Mit Hilfe von magnetischen Wechselfeldern als einer Möglichkeit oder der Ausnutzung des diamagnetischen Verhaltens von Silizium in sehr starken Magnetfeldern werden theoretische Varianten beschrieben, Wafer zu transportieren und zu positionieren. Eine realisierte Umsetzung ist nicht bekannt. Für kleine Bauteile ist das Prinzip weniger geeignet, bei Wechselfeldern wegen der Bauteilbelastung gar nicht möglich (Jin u.a. 1995). Grutzeck (2000) beschreibt die Möglichkeit der Handhabung magnetisierbarer Bauteile, nennt jedoch den Nachteil der Dauermagnetisierung. Diese muss rückgängig gemacht werden, um das Bauteil kontrolliert ablegen zu können und die Funktion nicht zu beeinträchtigen. Bei kleinen Bauteilen ist keine industriell umgesetzte Anwendung bekannt Konventionelle Luftlager und Luftkissensysteme Generell werkstoffunabhängig sind fluidbasierte Systeme, die gasförmige Medien zur Krafterzeugung verwenden. Als erstes Prinzip werden im Folgenden Luftlager beschrieben. Luftlager sind bereits so lange bekannt, wie die Möglichkeit bestand, Luft wirtschaftlich zu komprimieren und gute Oberflächen zu erzeugen. Technisch umgesetzt wurden Luftlager erstmals um 1900, der technische Durchbruch erfolgte nach 1945 (Wiemer 1969). Ein konventionelles, auch statisches Luftlager entsteht, wenn zwischen zwei Oberflächen mit Überdruck Luft eingeblasen wird, die die Platten trennt und ein Luftpolster ausbildet. Die Oberflächen können fast reibungsfrei aufeinander gleiten, ohne sich zu berühren. Auf diesem Prinzip basierende Systeme werden auch aerostatische Lager genannt. Die einfachste Form stellt dabei das Elementarluftlager dar (Gerke 1991, Schroter 1995). Bartz (1993) gibt einen Überblick über die Einsatzmöglichkeiten im konventionellen Maschinenbau. Er nennt aerostatische Wellenlagerungen, die auch als poröse Tragelemente ausgebildet sein können. Ähnlich wie bei Magnetlagern trägt der Luftfilm die Wellen schnell rotierender Maschinenteile fast reibungsfrei und mit meist ausreichend hoher Steifigkeit. Daher werden aerostatische Lager auch für Hochpräzisionsführungen in Werkzeugmaschinen und Messmaschinen eingesetzt. Bei einem Lagerspalt von wenigen Mikrometern und einer Fertigungsgenauigkeit von 1 bis 2 µm können Positionsabweichungen unter 20 nm gewährleistet werden (Schroter 1995). Für schwere Lasten werden aerostatische Gleitschuhe verwendet. Transportpaletten werden mit Gleitschuhen versehen und können auf ebenem Boden leicht verschoben werden. Ähnlich funktionieren aerostatische Tischlagerungen bei hochpräzisen Werkzeugmaschinen und 24

43 2.4 Bekannte Beispiele für Technologien zur berührungslosen Kraftaufbringung Messmaschinen, wobei sehr enge und ausreichend steife Spalte realisierbar sind (Wiemer 1969). Die funktionelle Umkehrung stellt das Luftgleitfördern dar. Dies ist ein aerodynamisches Verfahren für Objekte mit gleichmäßiger bzw. ebener Standfläche. Das Objekt gleitet auf einem Luftfilm, der aus den zahlreichen Düsenöffnungen eines porösen Bodens ausströmt. Die verbleibenden Haft- und Gleitreibungskräfte betragen etwa ein Tausendstel der Gewichtskraft, so dass beim Verschieben nur die Trägheit überwunden werden muss. Jedoch gibt es einige Einschränkungen dieses Prinzips. Bei Verwendung einer porösen Platte können ausschließlich spezielle Teile transportiert werden, bei denen die Bauteilkanten nicht durch Verkippen aufgrund des Bernoullieffekts (vgl. Abschnitt 2.4.5) aufliegen können. Abhilfe schafft ein paralleles Röhrensystem mit Drosseldüsen, das die Fläche zu einem Muster von konventionellen Luftlagern macht. Dies erfordert allerdings einen großen Aufwand in der Fertigung. Geometrisch komplexe Körper schweben zudem meist sehr unruhig. Eine Variante hiervon sind so genannte Air-in-floor -Systeme. Die Luftversorgung ist im Tisch oder Boden untergebracht. Durch Überfahren von Kugelventilen werden diese ausgelöst und der Luftstrom freigesetzt. Es entsteht ein Luftfilm, auf dem das Transportgut gleitet (Rybarczyk 2004). Da der Abstand zwischen Düse und Bauteil bei diesen Verfahren mit einigen Millimetern bis Zentimetern sehr groß wird, spricht man hier bereits von dynamischen Effekten. Der Luftverbrauch steigt dementsprechend. Hierzu gehört auch das Luftstrahlfördern, das besonders für großflächige, leichte Körper geeignet ist (Lorenz 1999). Diese werden durch Luftstrahlen aus halbkreisförmigen Öffnungen einer Luftkammer angehoben, seitlich angeblasen und dadurch beschleunigt. Durch dieses Prinzip kann ein Steigungsvermögen bis 30 % realisiert werden. Auch das Schubfördern gehört zu den dynamischen Luftförderprinzipien. Ein Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite des Bauteils wird für die Beschleunigungskräfte ausgenutzt. Anwendungen sind das Fördern von Schrauben in Zuführschläuchen oder die Rohrpost. Rybarczyk (2004) beschreibt aerodynamische Zuführverfahren, bei denen Werkstücke aufgrund ihres lageabhängigen Luftwiderstands geordnet und ausgerichtet werden können. Die Werkstücke werden meist über Luftkissen und dynamisches Luftfördern bewegt und durch seitliche Strömungsfelder gedreht. Diese Verfahren sind jeweils an die unterschiedlichen Werkstückformen anzupassen. Ebenfalls über rein fluiddynamische Effekte beeinflusst Schäfer (1999) optische Mikrolinsen mit einem axialen Luftstrahl, um sie zu justieren. Dabei wurden verschiedene Linsenformen untersucht. Der Luftstrahl dreht die Linse durch Anblasen unter verschiedenen Winkeln in die richtige Position. Die konvexe bzw. konkave Oberfläche der Linse bestimmt dabei signifikant die Kraft und die Position. Dieses Verfahren soll in der Mikromontage z. B. bei Endoskopen eingesetzt werden. Interessant für das berührungslose Greifen von Bauteilen ist eine Patentanmeldung, die von der Siemens AG in Zusammenarbeit mit der TU München erarbeitet wurde. Hierbei werden Luftlagereffekte benutzt und mit anziehenden Kräften aus Vakuumdüsen kombiniert, um große Bauteile wie Wafer von oben zu greifen. Die Saugdüsen sind als Bohrungen ausgebildet, 25

44 2 Stand der Technik die Druckdüsen als Mikrodüsen (Durchmesser ca. 40 µm) in porösem, oberflächenverdichtetem Sintermaterial realisiert. Durch das Zusammenwirken der homogen über die Greiferoberfläche verteilten Unterdruck- und Überdruckbereiche kann ein ebenes Bauteil ohne mechanischen Kontakt mit einem festen Abstand zur Greiferoberfläche gehalten werden. Dies ermöglicht die schonende Handhabung dünner, formlabiler Bauteile. Dabei verhindern Anschläge an den Bauteilrändern ein laterales Abgleiten des Bauteils vom Luftkissengreifer (Höppner 1999, Schutzrecht DE A1) Bernoulliprinzip, hydrodynamisches Paradoxon In mehreren technischen Anwendungen wird das so genannte hydrodynamische Paradoxon genutzt. Aus einer zentralen Düse eines flächigen Greifkopfes strömt Druckluft senkrecht auf die Oberfläche des ebenen, flächigen Greifobjektes und wird in radialer Richtung abgelenkt. Zwischen Bauteiloberfläche und Greiferfläche strömt die Luft nach außen. In der Mitte an der Düse wird die Luft sehr stark beschleunigt, um dem kurvenförmigen Strömungsverlauf aus der Düse nach außen folgen zu können. Dadurch entsteht an der Greiferoberfläche ein Unterdruck, der sich zum Rand hin abbaut, wo sich Umgebungsdruck einstellt. Das Bauteil wird insgesamt an den Greifer gezogen, bis die Gewichtskraft, die Kraft des Staudrucks aus der Düse und die anziehende Kraft aus dem Beschleunigungsimpuls des Fluids im Gleichgewicht stehen. Es stellt sich dabei ein bestimmter Abstand (ca. 0,5 mm bis 3 mm) zwischen Greifund Grifffläche des Bauteils ein, so dass das Objekt berührungslos gehalten wird. Bernoulligreifer werden häufig für große, flächige Bauteile wie Wafer und Glasscheiben, aber auch für biegeschlaffe Bauteile wie Stoffe verwendet. Die Greifer werden von Robotern geführt, um die Bauteile umzudrehen (zu flippen) bzw. von oben gegriffen in Fertigungsgeräte einzulegen (Manz 2004, SEZ 2004). Vereinzelt finden sich Anwendungen, bei denen Bernoulligreifer zum berührungslosen Greifen von nicht formstabilen Bauteilen eingesetzt werden. So wurden Forschungsprojekte durchgeführt, um Kunststofffolien, lackierte Bleche oder harzimprägnierte, klebrige Gewebematten zu greifen und zu montieren (Milberg 1989). Seit kurzer Zeit wird versucht, Bernoulligreifer für hochausgedünnte Wafer mit Dicken zwischen 50 und 500 µm einzusetzen (Binder & Kroupa 2003). Silizium dieser Dicke ist flexibel und biegsam, zerbricht aber bei zu großer Krümmung. Die besondere Herausforderung liegt darin, dass diese Wafer aufgrund innerer Spannungen oder äußerer Beschichtungen sich wie z. B. Kartoffelchips aufbiegen und federnd diese Gestalt immer wieder anzunehmen bestrebt sind. Für die Handhabung müssen die Wafer daher erst geradegebogen werden, um beim Absetzen kontrolliert ihre Wunschform wieder annehmen können. In dem zitierten Artikel werden Kombinationen von nicht berührungslosen Vakuum- und Bernoulligreifern beschrieben, die ein berührungsloses Geradeziehen mittels Bernoullieffekt und ein taktiles Greifen durch die Unterdruckdüsen nutzen, um Wafer mit einem Bow (Durchbiegung) von 10 mm zu greifen. Diese Greiftechnik benötigt eine große Menge an Stickstoff (etwa 30 Liter/Minute) sowie Sensorik zum Detektieren der Wafer und vor allem deren Durchbiegung, stellt aber eine der wenigen Möglichkeiten zum schonenden Greifen ausgedünnter Wafer dar. 26

45 2.4 Bekannte Beispiele für Technologien zur berührungslosen Kraftaufbringung Die Anwendung von Bernoulligreifern für die Handhabung kleiner Bauteile untersuchte Grutzeck (2000). Er stellte fest, dass es sehr schwierig ist, zu kleinen Größen zu skalieren. Es werden sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten benötigt, um bei geringen Abmessungen noch Kräfte zu erzeugen. Dies ist besonders bei kleinen Bauteilen wegen der Beschädigungsgefahr der Oberflächen problematisch, was auch Nienhaus (1999) bestätigt. In Versuchen wies Grutzeck nach, dass lediglich sehr enge Spalte erzielt werden können. Erhoffte bauteilzentrierende Kräfte, die bei großen Bauteilen teilweise in sehr schwacher Form auftreten, waren in der Praxis bei kleinen Bauteilen nicht messbar. Eine Handhabung kleiner Bauteile ist daher, wenn überhaupt, nur mit seitlichen Anschlägen umsetzbar Ultraschallsysteme Eine dritte Möglichkeit, mit Hilfe von Gasen Kräfte zu erzeugen, stellen Systeme dar, die auf Ultraschall im Frequenzbereich oberhalb von 20 khz basieren. Hier sind grundsätzlich zwei Effekte zu unterscheiden: Der Stehwelleneffekt basiert auf Druck- und Schallschnelleunterschieden in einer stehenden Welle, die sich zwischen dem Schallerzeugern und einem Reflektor ausbildet, in deren Druckknoten Bauteile schweben. Beim Nahfeldeffekt werden strömungsmechanische Phänomene genutzt, die bei engen Spalten zwischen einer schnell schwingenden und einer ruhenden Oberfläche entstehen. Im Spalt bildet sich ein Überdruck aus, der wie ein flächiges Luftlager wirkt Handhabung von Mikroteilen durch stehende Wellen Das Stehwellenprinzip wurde bereits erfolgreich in der Forschung eingesetzt. Speziell bei Mikrogravitationsexperimenten der NASA sowie der ESA in den 70er Jahren bestand die Anforderung, zur Untersuchung von Kristall- und Legierungsbildungsmechanismen im Bereich der Chemie und der Werkstoffforschung, Flüssigkeiten und Festkörper ohne Wandkontakt schweben zu lassen. Hierzu wird im Abstand a=n /2 von der Schallquelle ein Reflektor angebracht. Infolgedessen bildet sich zwischen Quelle und Reflektor eine stehende Welle aus. Ein Bauteil kann im Druckknotenpunkt der stehenden Welle zum Schweben gebracht werden. Auf das Bauteil wirken zwei unterschiedliche Kräfte. Axial zum Schallfeld wirkt der Schallstrahlungsdruck der stehenden Welle auf Ober- und Unterseite des Bauteils. Bei einer leichten Verschiebung in axialer Richtung wird das Bauteil in den Knoten zurückgezogen, so dass sich mit anderen axialen Kräften, z. B. der Gewichtskraft, ein Gleichgewicht ausbilden kann. Orthogonal zur Schallfeldachse wirken Bernoullieffekte um das Bauteil, die aus der Bewegung der Gasteilchen resultieren. Eine Auslenkung des Bauteils bewirkt dabei einen Unterdruck der Strömung auf der Innenseite. Dies resultiert aus der Richtfeldcharakteristik des Schallfeldes. Aufgrund der kleinen Stirnfläche der Ultraschallquellen schwingt die Abstrahl- 27

46 2 Stand der Technik fläche in der Mode 0 und es bildet sich ein parabolisches Profil der Amplituden der Wechselströmung der Luft über dem Querschnitt des Schallerzeugers aus (Abbildung 4). p Schall Axiales Kräftegleichgewicht durch Schallstrahlungsdruck mg p Bernoulli Radiales Kräftegleichgewicht durch Bernoulli-Effekt Abbildung 4: Ultraschallstehwelleneffekt Das Prinzip ist dabei sehr tolerant gegenüber einer Verkippung des Schallfelds und eines Verdrehen des Reflektors gegenüber dem Schallerzeuger bis zu 60, in Einzelfällen bis zu 90. Damit besteht die Möglichkeit, den levitierten Gegenstand für eine Bearbeitung oder zum Aufnehmen und Ablegen zugänglich zu machen (Reinhart 1999). Die Stehwellenlevitation wird außerhalb der Forschung industriell nicht verwendet. Bisher wurden keine Greifsysteme basierend auf diesem Prinzip entwickelt. Vor allem Fragen des Aufnehmens und Ablegens von Bauteilen sowie der rotatorischen Ausrichtung sind noch ungeklärt. Aktuell wird im Rahmen eines Forschungsverbundes der Bayerischen Forschungsstiftung versucht, Lösungen für diese Aufgaben zu finden (Zitzmann u. a. 2004). Für die beschriebene Kraftwirkung lassen sich beliebig viele Positionen finden, solange eine freie Ausbreitung des Schallfeldes nicht gestört wird. Das gleichzeitige Lagern mehrerer kleiner Bauteile in jeweils einem Knoten der stehenden Welle ist möglich. Bei genügend großer Schallenergie und einer adäquaten Bauteilfläche kann das Bauteil den Reflektor auch ersetzen. Damit können Levitationshöhen im Bereich kleiner ganzzahliger Vielfacher der halben Wellenlänge realisiert werden. Abbildung 5 zeigt den Verlauf der Kraft auf den Reflektor abhängig vom Abstand. Da sich zwischen Wafer und Schallquelle eine stehende Welle ausbildet, wird ein Wafer, der sich in Bereichen von ± /4 um einen Knoten der stehenden Welle befindet, in den Punkt des Kräftegleichgewichts zwischen Gewichtskraft und Rückstellkraft gedrückt. Daraus ergeben sich bei Schallfrequenzen um 20 khz Levitationshöhen um 8 mm. 28

47 2.4 Bekannte Beispiele für Technologien zur berührungslosen Kraftaufbringung Kraft 0,4 N 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Nahfeldlevitation Medium: Luft bei Standardbedingungen Frequenz: 20 khz Durchmesser der Abstrahlfläche: 60 mm , mm 100 Abstand Schwinger-Wafer Abbildung 5: Gemessener Kraftverlauf beim Annähern eines Bauteils an eine Ultraschallquelle Handhabung von flächigen Bauteilen durch Nahfeldlevitation In Abbildung 5 wird ebenfalls deutlich, dass die Levitationskraft im Nahfeld sprunghaft ansteigt. Wie später noch gezeigt werden wird, kann dieser Effekt nicht mehr mit schalltheoretischen Ansätzen erklärt werden, sondern es sind fluiddynamische Theorien anzuwenden. Das Nahfeld zeichnet sich durch eine hohe Kraftdichte aus, weshalb hier relativ große Massen levitiert werden können. Eine Voraussetzung dafür ist eine möglichst plane Seite des anzuhebenden Körpers mit guten Schallreflexionseigenschaften. Die Kraftwirkung verhält sich proportional zu Schallamplitude, Schallfläche und sinkender Levitationshöhe. Die Eigenschaften nähern sich daher denen eines aerostatischen Luftlagers an. Dabei werden Levitationshöhen im Bereich zwischen einigen zehn Mikrometern und wenigen Millimetern erreicht. Dieser Effekt wurde mittlerweile in mehreren Prototypen zur Handhabung von Halbleiterwafern eingesetzt. Er zeichnet sich aus durch einfachen Aufbau, ein günstiges Prozesskennfeld und nicht vorhandene Beeinträchtigung der Prozessumgebung wie z. B. durch störende Luftströmungen bei Luftlagern. Abbildung 6 zeigt realisierte Versuchsmuster für den Transport und das Greifen von Waferscheiben aus der Halbleiterindustrie. 29

48 2 Stand der Technik Biegeschwinger Flansch SCARA- Roboter Biegeschwinger 200-mm-Wafer Zentrierung 24-kHz- Generator 200-mm- Wafer Abbildung 6: Versuchsmuster für Transport und Greifen mit Ultraschall (Höppner 2002) Adhäsive Systeme In mehreren Quellen werden Systeme als berührungslos bezeichnet, die über Adhäsionskräfte von Flüssigkeiten Kräfte auf Bauteile ausüben und sie dadurch greifen. Hierzu werden Tropfen von Wasser oder Alkoholen an der Greiffläche ausgeschieden, die beim Annähern das Bauteil benetzen. Es bilden sich zwei Dreiphasengrenzen zwischen den Festkörpern (Bauteil und Greifer), der umgebenden Luft und dem Adhäsiv aus. Die aus der Oberflächenspannung entstehenden Kräfte bewirken zum einen, dass der Flüssigkeitsfilm das Bauteil definiert auf Abstand hält und gleichzeitig bei einem geeignet geformten Greifer auf diesem zentriert. Dementsprechende Systeme wurden u. a. in den Arbeiten von Bark (1998) und Grutzeck (2000) untersucht. Die Greifkräfte erreichen 20 mn mit Wasser bei einem 4 x 4 mm² großen Bauteil. Der Abstand zum Greifer beträgt wegen der Höhe des verbleibenden Tropfen etwa 700 µm. Die erreichten Genauigkeiten bei der Zentrierung der Bauteile liegen bei einem lateralen Versatz von 170 bis 800 µm. Durch geeignete Pumpmechanismen, die das Volumen der Tropfen nachträglich verringern können, kann die Genauigkeit positiv beeinflusst werden. Der gesamte Zyklus beträgt mindestens zwei Sekunden für das Aufnehmen. Das Ablegen des Bauteils erfolgt durch schlagartiges Verdampfen des Fluids durch ein Filmheizelement oder Abpumpen der Flüssigkeit. Jedoch sind immer Rückstände des Adhäsivs auf den Bauteilflächen nachweisbar. Diese Tatsache schließt für diese Arbeit eine weitere Betrachtung adhäsiver Systeme aus. Berührungslos wurde im Sinne der vorliegenden Arbeit so definiert, dass kein weiteres Medium als das bereits in der Umgebung vorhandene mit dem Bauteil in Berührung kommen soll (vgl. Abschnitt 2.4.1). Dies ist bei adhäsiven Greifprinzipien nicht gegeben. Wegen der möglichen Beeinträchtigung nachfolgender Prozessschritte und der geringen Geschwindigkeit ist kein Einsatz adhäsiver Greifer im industriellen Umfeld bekannt. 30

49 2.5 Defizite bekannter Lösungen aus dem Stand der Technik 2.5 Defizite bekannter Lösungen aus dem Stand der Technik Die genannten Ansätze für die berührungslose Handhabung von Bauteilen zeigen, dass es technisch durchaus möglich ist, Bauteile berührungslos zu greifen, definiert zu transportieren und abzulegen. Dieses Potential wird derzeit jedoch kaum genutzt. Vor allem bei kleinen Bauteilen ist keine realisierte Anwendung bekannt. Bei großen Bauteilen muss sehr häufig ein erheblicher apparativer Aufwand betrieben werden, z. B. für die Erzeugung der nötigen Druckluftmenge oder die Bereitstellung technischer Gase. Aufgrund der Störung der Reinraumumgebung wurden Luftlager aus dem Bereich der Halbleiterfertigung sogar wieder entfernt. Für die technische Akzeptanz in der Industrie wichtig sind mehrere Punkte: Das Prinzip für die berührungslose Aufbringung von Kräften sollte einfach zu realisieren sein und mit Hilfe weniger Parametereinstellungen beherrscht werden können. Die Werkzeuge müssen als Module zur Verfügung stehen, um einfach in vorhandene Anlagen oder in manuelle Fertigungsumgebungen integriert werden zu können. Vor allem in sensiblen Bereichen sollen durch das Greifprinzip keine Partikel erzeugt oder verschleppt werden können, was besonders bei Luftströmungen und elektrischen Feldern zu berücksichtigen ist. Für einen möglichst universellen Einsatz ist es von Vorteil, das Prinzip materialunabhängig einsetzen zu können. Der Stand der Technik zeigt, dass für die vorgenannten Punkte und vor allem für das Greifen kleiner Bauteile noch keine ausgereiften technischen Lösungen zur Verfügung stehen und noch erheblicher Entwicklungsbedarf besteht. Im Folgenden sollen daher die möglichen physikalischen Prinzipien grundlegend untersucht und der Einsatz für ein Greifverfahren bewertet werden. 31

50 2 Stand der Technik 32

51 3.1 Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften 3.1 Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien Die Entwicklung berührungsloser Greifer setzt eine genaue Kenntnis der physikalischen Prinzipien voraus, die eine berührungslose Kraftübertragung ermöglichen. Im Folgenden werden die Grundlagen der grundsätzlichen physikalischen Prinzipien für die Berechnung der Kräfte vorgestellt. Dies sind zunächst fluidbasierte Prinzipien, die eine Art Luftkissen erzeugen, das Greifobjekte auf Abstand hält. Diese Prinzipien können eingeteilt werden in aerostatische, aerodynamische und daraus kombinierte Prinzipien (Bartz 1993, Wiemer 1969), das Bernoulliprinzip sowie das Ultraschalllager als eine neu entwickelte Form. In den darauf folgenden Abschnitten werden elektrostatische und magnetische Kräfte beschrieben. Mit Entscheidungskriterien zur Auswahl der geeignetsten Prinzipien bzw. deren Kombinationen und einer Analyse für die berührungslose Handhabung kleiner Bauteile schließt das Kapitel Aerostatische Lager Aerostatische Lager (Luftlager) besitzen einen tragenden Fluidfilm zwischen den beiden Lagerflächen, im Falle eines Greifers zwischen Greif- und Grifffläche. Dieser Fluidfilm aus einem unter Druck stehenden Gas, meist Luft, soll den Festkörperkontakt zwischen den beiden Flächen vermeiden, indem er durch einen gasgefüllten Spalt in der Größenordnung von 2 bis 50 µm das Rauheitsprofil beider Flächen überwindet und diese auf Abstand hält. Weitere Vorteile der Luftlager sind (Bartz 1993): Es lassen sich hohe relative Geschwindigkeiten zwischen den Flächen erzielen. Die Lagereigenschaften sind unabhängig von mechanischen und thermischen Änderungen. Es entsteht nur sehr geringe Reibung. Das Luftlager erzeugt kein eigenes Verlustmoment. Die Bauteile werden sehr wenig belastet, da der verfügbare Druck gleichmäßig über eine große gesamte Fläche verteilt wird. Durch Wahl der geeigneten Bauform lassen sich eine hohe Steifigkeit und damit ein zuverlässiger Betrieb realisieren. 33

52 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften Für Luftlager gibt es unterschiedlichste Bauformen, die sich jeweils durch ihre statischen und dynamischen Eigenschaften unterscheiden: Einfachluftlager mit einer zentralen Düse Elementarluftlager mit Einlassdrossel und Vorkammer Luftlager mit porösen Oberflächen, Sinter- oder FVM-Lager (flächig verteilte Mikrodüsen, vgl. auch Schroter 1995, Hopfner 1991) Als Beispiel zeigt Abbildung 7 links das Elementarlager mit Vorkammer und Düse, rechts ein FVM-Lager. Dabei stehen pk für den Speisedruck, pa für den Umgebungsdruck, pi für den Druck in der Vorkammer und m für den Luftmassenstrom. Abbildung 7: Elementarluftlager (links) und FVM-Lager (rechts) (Schroter 1995) Zum besseren Vergleich werden die einzelnen Lagertypen mit Hilfe der physikalisch maximalen Tragkraft F0 normiert: 34 F = r ² π ( p p ) 0 a K a (3-1) mit ra als äußerem Radius des Lagers, dem Speisedruck pk und dem am Lagerrand anliegenden Außendruck p. a Die einfachste Form ist die Bauform ohne Vorkammer und Drossel. Hier wird über eine zentrale Düse Luft zwischen die beiden Lageroberflächen eingepresst. Der enge Spalt wirkt nach außen als Drossel, so dass die Luft aus dem Lager nur mit sehr geringen Volumenströmen austreten kann. Der Druck im Lagerspalt nimmt dabei logarithmisch ab. Die auf F0 bezogene Tragkraft F des ungedrosselten Lagers beträgt damit (Schroter 1995): F F 2 1 ( ri / ra ) = 2ln( r / r ) 0 a i (3-2) Wie in dieser Formel durch die fehlende Größe des Lagerspalts d schon deutlich wird, tritt bei diesem Lager keine Kraftänderung bei veränderlicher Spalthöhe auf (das Modell gilt natürlich

53 3.1 Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien nur für technisch sinnvolle kleine Spalthöhen). Die einfachen Einzellager besitzen damit keine Steifigkeit. Ein selbständiges Einnehmen einer Ruhelage und eine damit verbundene Regelung des Abstands je nach erforderlicher Kraft sind nicht möglich. Erst bei Einführung einer Drosselwirkung durch eine enge Vorkammer oder den Einbau einer Drossel in die Versorgungsdüse stellt sich eine selbstregelnde Wirkung ein. Abbildung 8: Vorkammerluftlager ohne Drossel Die Tragkraft lässt sich durch den Einbau einer Vorkammer (Abbildung 8) erhöhen. Bei großer Vorkammertiefe erweitert sich das Kraftplateau um die Düsenöffnung und erhöht damit die Gesamtkraft. Abbildung 9: Vorkammerluftlager mit Drossel (Elementarluftlager) Das Lagermodell mit Vorkammer und Drossel (Abbildung 9) wird als Elementarluftlager bezeichnet. Bei einfachen technischen Anwendungen wird meist ein Lager dieser Bauart verwendet. Es zeichnet sich durch relativ hohe Tragzahlen aus, ist aufgrund seiner Steifigkeit gut 35

54 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften beherrschbar und gleichzeitig technisch einfach herzustellen. Eine wichtige Anforderung in der technischen Anwendung ist die Parallelität zwischen Lagerfläche und Lager, da nur in diesem Fall die Lagerwirkung über die nachstehenden Formeln abgeschätzt werden kann (Bartz 1993, Gerke 1991). Der Druckverlauf im Spalt und damit auch die Tragkraft ist eine Funktion des Vorkammerdrucks p : i ln( ra / r) p pa = ( pi pa ) (3-3) ln( r / r ) F = ( p i 2 2 π ( ra ri ) pa ) ln( r / r ) a a i i (3-4) Für sehr kleine Spalte erreicht pi praktisch den Kesseldruck pk und nimmt mit zunehmender Spalthöhe bis auf den Umgebungsdruck pa ab. Die Tragkraft bei Spalthöhe h = 0 erhält man, wenn man in der obigen Formel pi durch pk ersetzt. Die auf diesen Wert bezogene Tragkraft errechnet sich deshalb wie folgt: F F ( pi = ( p pa ) p ) d = 0 0 a (3-5) Für größere Lagerflächen werden innerhalb einer Platte mehrere Elementarlager parallel angeordnet. Durch die verschiedenen Einzeldüsen mit ihren jeweiligen Vorkammern, die nicht miteinander in Verbindung stehen, können diese Lager kleine Kippmomente aufnehmen. Die folgende Abbildung 10 zeigt ein kreisförmiges und ein rechteckiges Lager (Wiemer 1969). Allerdings lässt sich die Berechnung dieser Lager nicht mehr mit einfachen Formeln durchführen. Vor allem die Reaktion bei kleinen Verkippungen kann nur noch abgeschätzt oder numerisch simuliert werden. Dafür stellt sich, in der Mitte der Lagerfläche gleichmäßig verteilt, ein annähernd konstantes Druckniveau ein, welches die Traglast des Lagers signifikant erhöht. Abbildung 10: Runde und rechteckige Lagerformen (nach Wiemer 1969) Dieses Prinzip lässt sich nicht nur durch Parallelschalten vieler Elementarlager auf größere Flächen anwenden, sondern durch ein fertigungstechnisches Verfahren mit Hilfe von offenporigen Sintermaterialien realisieren. Die Luft strömt durch das Material hindurch und tritt an 36

55 3.1 Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien den zahlreichen Oberflächenporen aus. Damit wird eine gleichmäßig über die Oberfläche verteilte Kraftwirkung erreicht. Auch hier können Vorkammern geschaffen werden, um die Steifigkeit zu erhöhen. Durch lokales Verdichten des Sintermaterials an der Oberfläche werden an den Poren kleine Düsen erzeugt. Der fertigungstechnische Aufwand ist dabei sehr hoch. Die beste Düsenqualität wird erreicht, wenn das Sintermaterial sehr homogen aufgebaut ist, quasi eine hexagonal dichteste Kugelpackung aufweist (Hopfner 1991). Die Ebene des Lagers muss dann genau auf die Gitterebenen ausgerichtet werden. Vor allem bei größeren Flächen wird dies sehr aufwändig und schwierig, da die verfügbaren Sintermaterialien in der Regel nicht homogen sind. Ein ähnlicher Aufbau kann auch mittels Laserbearbeitung erzielt werden, wobei in dünne Bleche Raster von kleinen Laserbohrungen sehr schnell eingebracht werden können. Die automatisch entstehende konische Form der Bohrungen aufgrund der Kaustik des Laserstrahls hat dieselbe Wirkung wie Düsen. Obwohl auf diese Weise für gängige Anwendungen tausende einzelner Düsen gebohrt werden müssen, ist vor allem bei großen Flächen und hohen Anforderungen an die Genauigkeit und Gleichmäßigkeit des Tragkraftprofils der Fertigungsaufwand wirtschaftlich gerechtfertigt. In der folgenden Abbildung 11 sind die Tragkraftkurven der einzelnen Luftlagertypen gegenübergestellt: Abbildung 11: Traglastkurven der einzelnen Lagertypen (nach Gerke 1991) Diese Lager mit flächig verteilten Düsen weisen weit höhere Traglasten und Steifigkeiten auf als einfache Lager gleicher Größe (Schroter 1995). Es stehen damit verschiedene Bauweisen 37

56 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften zur Verfügung, die je nach erforderlichen Kennwerten und vertretbarem Fertigungsaufwand eingesetzt werden können Anziehende Kräfte durch Unterdruck Die am weitesten verbreitete Methode, berührungslos Kräfte zu erzeugen, ist das bloße Ansaugen durch lokal erzeugten Unterdruck. Eine derartige Saugdüse entspricht prinzipiell einem aerostatischem Lager ohne Drossel und kann bei kleinen Spalten analog berechnet werden. Daraus folgt, dass die anziehenden Kräfte bei kleinen Spalten und konstantem Unterdruck nicht von der Spalthöhe abhängig sind, da sich nicht die Druckverhältnisse, sondern nur die Volumenströme ändern. Um eine gewisse Fernwirkung dieses Effekts auszunutzen und damit Bauteile bereits ab einem kleinen Abstand anziehen zu können, werden Greifer in der Regel als offene Düsen ausgeführt. Analog zu den Luftlagern sind auch Varianten mit flächig verteilten Düsen vor allem bei Fixiereinrichtungen, so genannten Chucks, für flächige Bauteile wie Halbleiterwafer, Folien und Glassubstrate gebräuchlich Selbsterregte aerodynamische Lager Neben den aerostatischen Lagern werden in der Technik aerodynamische Lager verwendet. Das Fluid wird dabei nur durch die Bewegung der Welle oder des Gleitschuhs soweit verdichtet und in den Lagerbereich gefördert, dass eine tragende Wirkung entsteht. Für die Berechnung dieser Lager kann z. B. Wiemer (1969) herangezogen werden. Vorteile sind neben sehr guten Reibwerten die Vermeidung von Verschmutzung durch die sonst in den Lagern verwendeten Öle, vor allem im Lebensmittelbereich, bei radioaktiven Anlagen oder explosionsgefährdeten Stoffen. Mit dem Schmiermittel Luft erfordert dies aufgrund der geringen Viskosität allerdings sehr hohe Relativgeschwindigkeiten. Die Anlagen sollten daher selten ihren Betriebszustand ändern, ansonsten sollten Kombinationen von statischen und dynamischen Lagern verwendet werden. Zum Greifen eines in den meisten Fällen relativ zum Greifer ruhenden Bauteils ist dieses Prinzip daher nicht geeignet Hydrodynamisches Paradoxon (Bernoullieffekt) Eine weitere Möglichkeit für hydrodynamische Effekte ist die Verwendung des als Bernoullieffekt bekannten hydrodynamischen Paradoxons. Die zugrunde liegende Gleichung besagt, dass in einem offenen System die Summe aus kinetischer Energie und der potentiellen Energie aus Lage und Druck konstant sind. Unter Verwendung der Variablen ρ für die Dichte, v für die Geschwindigkeit, g für die Erdbeschleunigung, z für die absolute Höhe und p für den Druck lautet sie folgendermaßen: 1 ρ v ² + ρgz + p = const 2 (3-6) 38

57 3.1 Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien Bei Bernoulligreifern strömt das verwendete Fluid aus einer zentralen Düse am Greifer aus. Damit wird das Bauteil auf Abstand gehalten. Durch den Druckunterschied zwischen Greiferaußenrand und Düse wird die Luftströmung nach außen umgelenkt. Dadurch erfährt das Fluid eine Beschleunigung, die in einem ringförmigen Unterdruckbereich um die Düse resultiert. Um diesen Effekt zu erzielen, ist eine Mindestspalthöhe abhängig vom angelegten Druck und dem verwendeten Luftvolumen nötig. Gleichzeitig steigen der erzielbare Unterdruck und damit die Greifkraft mit dem Luftdurchsatz. Für verschiedene Untersuchungen zum Greifen formlabiler Bauteile wurde das Strömungsverhalten in einem Bernoulligreifer mittels FEM-Strömungssimulation berechnet. Ziel war eine optimale Gestaltung der Greifer hinsichtlich optimaler Strömungsführung, Düsengeometrie, Luftverbrauch, Haltekraft und möglichst homogener Krafteinleitung auf das Bauteil. Ein Ergebnis ist in Abbildung 12 dargestellt. Druckluft Druckverlauf a) Überdruck Unterdruck 0 b) Abbildung 12: a) Berührungsloser Bernoulli-Greifer b) FEM-Analyse der Druckverteilung im Strömungskanal und Luftspalt Auch wenn damit die Strömungsverhältnisse am Greifer meist nur qualitativ vorhergesagt werden können, kann bei Entwicklung und Gestaltung eine optimale Form schnell definiert werden. Experimentelle Untersuchungen zeigen jedoch signifikante Nachteile beim Transport von Gegenständen: Die inhomogene Druckverteilung im Luftspalt führt zu Deformationen und möglicherweise zu Beschädigungen sehr dünner oder biegeweicher Bauteile. Eine gleichmäßige Verteilung von kleinräumigen Druck- und Unterdruckzonen ist unbedingt anzustreben und mit einem Bernoulligreifer nur schwer realisierbar. Die Bauteile werden zu Schwingungen angeregt. Das als Folge auftretende Flattern reduziert die Haltekraft und begrenzt die erreichbare Positioniergenauigkeit. Zusätzlich können z. B. bei Wafern die Schwingungen zu Deformationen und Beschädigungen führen. Das Greifprinzip an sich ist nicht beliebig miniaturisierbar. Wie eigene Untersuchungen zeigten, ist bereits im Bereich unter 10 Millimeter Bauteilkantenlänge ein ausgeglichenes Druckprofil und ein ruhiges Greifen sehr schwer zu realisieren. 39

58 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften Oberflächenstrukturierte Bauteile leiden unter den hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Zusätzlich führen strukturierte Oberflächen zu Strömungsveränderungen, die bis zum Zusammenbrechen des Tragefilms führen können. Der Stand der Technik kennt Weiterentwicklungen und Verbesserungen des konventionellen Bernoulligreifers durch eine Vakuumvorspannung: Das Druckprofil kann damit für glatte ausgedehnte Flächen und sehr große Greiferflächen optimiert werden, was zu geringeren Spalten, steiferer Traglastcharakteristik und ruhigerer Lage des Bauteils führt (vgl. Tokisue 1992, Abbildung 13). Eine Vakuumvorspannung ist jedoch für kleine Bauteile wegen der beschränkten Platzverhältnisse für die Vakuumfelder bei relativ hohen Luftmassenströmen nicht realisierbar. Unterdruck Überdruck Wafer Abbildung 13: Bernoulligreifer nach Tokisue (1992) Das Prinzip des Bernoulligreifers wird daher manchmal lediglich zum Anheben und Geradeziehen gebogener Bauteile verwendet, den eigentlichen Transport übernimmt eine anziehende Vakuumkraft. Wie oben bereits erwähnt, stellen Binder & Kroupa (2003) einen derartigen Greifer vor (Abbildung 14). Abbildung 14: Bernoulligreifer nach Binder & Kroupa (2003) 40

59 3.1 Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien Luftlager durch Ultraschallanregung Der Effekt der Ultraschallluftlager ist nur in wenigen Arbeiten bisher behandelt worden. Zudem werden darin unterschiedliche Erklärungen der physikalischen Grundlagen gegeben. Erste Beschreibungen dieses Effekts im technischen Bereich finden sich bei Ultraschallschweißanlagen, wo die Kraftwirkung der Ultraschallsonotroden auf den letzten Millimetern sich störend auf den Prozess auswirkt. Im produktionstechnischen Bereich versuchen Hashimoto u. a. (1997) eine Umsetzung zum Transportieren flächiger Bauteile und bezeichnen den Effekt als Nahfeldlevitation. Wiesendanger (1999) beschäftigt sich mit dem Einsatz des Ultraschalllagers als Ersatz für Luftlager. Höppner, Reinhart und Zimmermann (Reinhart & Höppner 1999, Reinhart u. a. 2000, Höppner & Zimmermann 2000, Reinhart & Höppner 2000) greifen das physikalische Prinzip auf, um damit große berührungsempfindliche Bauteile zu transportieren und zu greifen. Wiesendanger und Höppner weisen nach, dass die Gleichungen der linearen Akustik die auftretenden Effekte nicht erklären können und versuchen mit numerischen Verfahren, basierend auf der allgemeinen gasdynamischen Strömungsmechanik, insbesondere der Spaltströmungs- und Schmierfilmtheorie, die auftretenden Kräfte zuverlässiger zu berechnen als dies Hashimoto mit Hilfe rein empirischer Formeln konnte. Der Begriff Ultraschall ist damit nur noch insoweit zutreffend, als die Schallerzeuger aus Lärmvermeidungsgründen mit Frequenzen oberhalb 20 khz betrieben werden. Der Begriff Squeezefilmlevitation wird daher von Höppner (2002) bevorzugt. Abbildung 15 macht den grundsätzlichen Aufbau anschaulich. Schallkeule Bauteil = Reflektor F L h D Halbwellen- Verbundschwinger Abbildung 15: Anschauliche Darstellung der Schallausbreitung eines Ultraschallerzeugers (Höppner 2002) Über einem Piezoschwinger mit einem von Langevin (1924) vorgeschlagenen Aufbau bildet sich eine Schallkeule aus, auf der ein Bauteil schweben kann. Das Bauteil kann dabei erheblich größer oder kleiner als der Durchmesser der schallerzeugenden Fläche sein. Wie später 41

60 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften gezeigt werden wird, hat dies grundsätzlich keine Auswirkungen auf den Levitationsdruck, aber in speziellen Fällen auf lateral auf das Bauteil wirkende Kräfte. Höppner (2002) erklärt den Effekt der Squeezefilmlevitation aus dem Schallstrahlungsdruck über schwingenden Flächen. Die Herleitung der folgenden Gleichungen würde den Rahmen dieser Arbeit bei weitem übersteigen und ist sehr verkürzt dargestellt. Für eine genauere Herleitung sei auf Grundlagenbücher der Akustik wie Bergmann (1949), Kuttruff (1988) und die Arbeit von Höppner (2002) verwiesen. Die Schalldruckamplitude am Bauteil, das als Reflektor für die Schallkeule dient, beschreibt die folgende Formel: pˆ = 0 vˆ z= 1 ρ c sinh αd + sin 2 k d 0 (3-7) Dabei steht ˆp 0 für die Schalldruckamplitude am Reflektor, v ˆ z = l für die Schallschnelle an der Stelle des Reflektors, ρ0 für die Dichte und c 0 für die Schallgeschwindigkeit im umgebenden Medium, α für die Absorptionskonstante, d für den Abstand zwischen Sonotrode und Reflektor und k für die Kreiswellenzahl. o Mit Hilfe der mittleren Energiedichte im Schallfeld und der Formel für die Berechnung des Langevinschen Schallstrahlungsdrucks folgt daraus der Druck auf den Reflektor im Abstand d: P Str00 = vˆ 2 z= 1 ρ 2 sinh αd + sin 0 2 k d o (3-8) Dies kann qualitativ durch Messungen bestätigt werden. Die Aufnahme der Kraft über dem Abstand zwischen Schwinger und Bauteil zeigt die typischen Kraftspitzen im Abstand d = nλ / 2, n = 1,2,3... und den steilen Anstieg der Kraft bei Annäherung des Bauteils an die Sonotrode, d. h. d 0 (siehe analytisch Abbildung 16, experimentell Abbildung 5). Dies ist der Krafteffekt, der für die Squeezefilmlevitation genutzt wird. Die Übereinstimmung ist umso erstaunlicher, als diese Berechnung allein auf den Modellvorstellungen der linearen Akustik beruht und daher eigentlich nur bei Längen d gültig ist, die erheblich größer als die Wellenlänge sind. Höppner (2002) schlägt daher die Berechnung des Traglastprofils mit den Methoden der allgemeinen Gasdynamik vor. Auf der Basis der Reynoldsgleichung 42 3 p pd d ρr = r r 12η t (3-9) mit d als dem Abstand zwischen den Flächen, p für den Druck im Spalt, ρ für die Dichte, η für die Viskosität des Mediums und r für den Radius des Kolbenschwingers definiert er analog zu Arbeiten von Salbu (1964) den Squeezefilmeffekt, mit dem man numerisch, abhängig von einer Quetschzahl 12η r ω σ s = (3-10) p ah0

61 3.1 Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien die Druckverhältnisse im Spalt berechnen kann. Er nimmt dabei eine kompressible Strömung und isotherme Bedingungen in einem rotationssymmetrischen Spalt an. 0,6 Kraft 0,5 N Dichte und Schallgeschwindigkeit: Standardumgebungsbedingungen Fläche: 1 cm² Frequenz: 24 khz Schallschnelle am Reflektor: 1m/s 0,4 0,3 0,2 0, Abstand mm Abbildung 16: Berechnetes Tragkraftprofil eines Ultraschallschwingers (nach Höppner 2002) Zitzmann weist in seinen Arbeiten (siehe in Zäh u. a. 2003) nach, dass das von Höppner (2002) vorgeschlagene numerische Berechnungsverfahren insbesondere bei großen Schallgeneratoren und großen Bauteilen unzulässige Vereinfachungen und Annahmen enthält. Nur bei kleinen Bauteilen und sehr schmalen Spalten werden die Reynoldszahlen und die Quetschzahl so klein, dass die entsprechenden Terme der zugrunde liegenden Navier Stokes Gleichung verschwinden und damit vernachlässigt werden können. Zitzmann gelang es bislang nur bei einfachen Modellen und sehr aufwändigen CFD-Berechnungen (Computational Fluid Dynamics), die auftretenden Effekte numerisch nachzubilden. Hier besteht noch weiterer Forschungsbedarf, insbesondere bei komplizierteren Sonotrodenformen und bei der Berechnung von Druckprofilen. Da eine aussagekräftige quantitative und zugleich schnelle Berechnung der Kräfte im Ultraschallnahfeld immer noch nicht zuverlässig möglich ist, soll im Rahmen dieser Arbeit auf eine analytische Vorgehensweise verzichtet werden. Solange die Sonotroden im Verhalten Stäben ähneln, die an ihrer Stirnfläche den Schallabstrahlen und im Gegensatz zu schwingenden Platten damit nur eine Stelle mit Schwingungsmaxima aufweisen, reichen Experimente zum Messen der Kräfte und daraus abgeleitete Tendenzen für die Entwicklung von Greifern für kleine Bauteile aus. Später wird in Abschnitt 6.6 noch eine Methode vorgestellt, mit deren Hilfe die Güte eines Greifers beurteilt werden kann. Daraus lassen sich auf einfachem Weg Maßnahmen ableiten, wie die vorliegende Greiferform verbessert werden kann. 43

62 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften Elektrostatische Kräfte Da elektrostatische Kräfte bei kubischen Körpern quadratisch von der Kantenlänge und damit linear von der wirksamen Oberfläche abhängen, das Bauteilgewicht sich dagegen mit der dritten Potenz der Kantenlänge ändert, scheint deren Anwendung zum Greifen besonders für kleine Bauteile geeignet zu sein. Das Verhältnis des Gewichts zu den Greifkräften wird daher mit sinkenden Dimensionen besser. Andererseits wird in technischen Anwendungen weit häufiger über die Störung von Greifprozessen durch elektrostatische Aufladung als über den produktiven Einsatz dieses Prinzips berichtet. Eine Aufladung von Bauteilen oder Greifern ist über das Anlegen einer elektrischen Spannung oder durch Maßnahmen zur Ladungstrennung wie z. B. Reibung möglich. Das Gegenstück muss anfangs gar nicht geladen sein, die induzierte Ladungsverschiebung durch das elektrische Feld reicht aus, um anziehende Kräfte zu erzeugen. Wichtig ist vor allem bei schlecht leitenden Objekten die aktive Entfernung der induzierten Ladung vor dem Ablegen, da sonst der Abbau der Kräfte verhindert wird. Mögliche Maßnahmen sind Umpolen oder das Anlegen abklingender Wechselfelder, was sich in jedem Fall negativ auf die Taktzeit des Greifvorgangs auswirkt. Abbildung 17: Möglichkeiten der Krafterzeugung bei elektrostatischen Greifern (nach Hesselbach u. a. 2001) Oh (1998) und Hesselbach (u. a. 2001) beschreiben drei grundsätzliche Prinzipien des Greifens mit elektrostatischen Kräften (Abbildung 17). Die grundlegenden Unterschiede sind dabei die elektrischen Eigenschaften des gegriffenen Gegenstands. Bei leitfähigen Gegenständen können die Varianten 1 und 2 verwendet werden, bei Nichtleitern die Variante 3. In Variante 1 wird zwischen Bauteil und Greifer eine Spannung angelegt. Damit entspricht die Krafterzeugung den Verhältnissen in einem Plattenkondensator mit ε 0U A F1 rε (3-11) 2 2 d mit ε r als der relativen Permittivität des umhüllenden Dielektrikums, das zur Isolation beim Greifen eingesetzt werden muss, ε0 als der Permittivität des umgebenden Mediums, U der angelegten Spannung, A der Fläche des Bauteils und d als dem Greifabstand. Dies erfordert

63 3.1 Grundsätzliche nichttaktile physikalische Prinzipien die Möglichkeit, das Bauteil taktil zu kontaktieren, um die Ladung beim Aufnehmen übertragen und beim Absetzen wieder entfernen zu können, was die Einsetzbarkeit der Variante für viele Anwendungen einschränkt. Die zweite Variante polarisiert das leitfähige Bauteil durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld. Dadurch wandern die geladenen Zonen auf die Ober- und Unterseite des Bauteils. Die Kraft entspricht etwa der Differenz zwischen anziehender Kraft der oberseitigen Ladungen und abstoßender Kraft der unterseitigen Ladungen am Bauteil der Dicke c: F F 2 Zug F Druck ε rε U = A c(2d + c) /( + ) d d 2 c (3-12) Es wird deutlich, dass die erzielbaren Kräfte geringer als bei Variante 1 sind. Da beim dritten Prinzip im nichtleitenden, polarisierbaren Bauteil lediglich lokale Dipole erzeugt und ausgerichtet werden, sind die erzielbaren Kräfte noch geringer als bei Variante 2 (vgl. Hesselbach u. a. 2001). Trotzdem dürften die Varianten 2 und 3 den meisten Fällen entsprechen, bei denen elektrostatische Effekte eingesetzt werden, da das Bauteil nicht kontaktiert werden und bei Variante 3 nicht leitfähig sein muss. Zu beachten sind die zulässigen Durchschlagspannungen. Da die Spannung in jedem Fall die Kraft quadratisch erhöht, wird eine möglichst große Spannung angestrebt. Einflüsse der Oberflächenstrukturen, von Beschichtungen und von kleinen Spaltweiten bei Mikroteilen sind zum großen Teil noch ungeklärt, so dass eine Festlegung der zulässigen Spannung bisher experimentell erfolgen muss (vgl. Grutzeck 2000) Magnetische Kräfte Magnetische Kräfte sind in ihrer Anwendung eingeschränkt auf (dia-)magnetische, magnetisierbare oder leitfähige Werkstoffe. Auch hier sind Möglichkeiten vorzusehen, Remanenzen in den gegriffenen Teilen wieder abzubauen und dadurch entweder ein Ablegen zu ermöglichen oder nachfolgende Prozesse oder Bauteileigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Magnetische Kräfte können entweder über Permanentmagneten oder über stromdurchflossene Spulen erzeugt werden. Nur Spulen ermöglichen eine uneingeschränkte Regelbarkeit des Systems, führen bei kleinen Abmessungen aber zu thermischen Problemen, da die Wärme bei kleinen Oberflächen schlechter abgeführt werden kann. Grundsätzlich verhalten sich die magnetischen Kräfte proportional zu der von den Magnetfeldlinien durchflossenen Fläche. In ihrer Beschreibung zu den Möglichkeiten der magnetischen Levitation nennen Ford & Koh (1990) die zwei grundsätzlichen Möglichkeiten der magnetischen Krafterzeugung. Zum einen können hochfrequente Wechselfelder über elektrische Spulen an die leitfähigen Bauteile angelegt werden. Die Spulen schaffen ein Magnetfeld, das in den Bauteilen Ströme erzeugt, die ihrerseits ein eigenes Magnetfeld besitzen. Bei geeigneter Parameterwahl stoßen sich die erzeugten Magnetfelder gegenseitig ab und das Bauteil schwebt. 45

64 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften Zum anderen wirken starke Magnetfelder direkt auf magnetische oder diamagnetische Materialien. Magnetische Materialien werden bekanntermaßen angezogen, auf diese Weise entstehen in den oben genannten Beispielen aus dem Stand der Technik die Vorspannung bei Linearmotoren gegen die Luftlagerung bzw. durch die Umklammerung das Anheben des Transrapids. Wie von Ford & Koh (1990) vorgeschlagen, kann analog die diamagnetische Wirkung des Siliziums, der so genannte Meissnereffekt, ausgenutzt werden, wodurch die Bauteile aus dem Magnetfeld herausgedrückt, also abgestoßen werden. Hierzu wären aber so starke Magnetfelder notwendig, dass diese bei dem kleinen Bauraum nur durch Supraleiter erzeugt werden könnten. Aus diesen Gründen wäre Magnetismus nur in bestimmten Materialkombinationen und mit einem sehr hohen apparativen Aufwand für das Greifen und Transportieren einsetzbar. 3.2 Entscheidungskriterien Im Folgenden werden Entscheidungskriterien genannt, die eine Beurteilung der einzelnen Greifprinzipien und ihrer Kombinationen ermöglichen sollen. Dabei wird auf Randbedingungen der gegriffenen Bauteile wie Größe und Gewicht, Materialien und Empfindlichkeit sowie auf die Randbedingungen des Fügeprozesses an sich, der benachbarten Prozesse und deren Umgebung eingegangen. Konstruktive und wirtschaftliche Überlegungen schließen sich an Möglichkeiten der Umsetzung bei sehr kleinen oder schweren Bauteilen Viele der genannten Prinzipien besitzen Einschränkungen bezüglich der Verkleinerungsmöglichkeiten bei abnehmender Bauteilgröße, dem Verhältnis Bauteilgewicht zu Grifffläche bei sehr schweren oder sehr leichten Bauteilen und bei der Verwendung eines gegebenen Greifers für unterschiedliche Bauteile. Diese Punkte schließen einzelne Prinzipien für bestimmte Anwendungen generell aus. So ist der elektrostatische Effekt für kleinere Bauteile geeignet, versagt jedoch bei zunehmendem Bauteilgewicht. Düsenluftlager und Bernoulligreifer können nicht beliebig verkleinert werden, Vakuumbohrungen sind in ihrer Kraftentfaltung gegenüber hohen Gewichten beschränkt. Inwieweit Ultraschalllager verkleinert werden können, ist noch nicht endgültig erforscht Materialabhängigkeit Ein wichtiges und eigentlich triviales Kriterium ist die Materialabhängigkeit. Nicht alle Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Kräften sind für alle Materialien geeignet. So müssen bei der Elektrostatik die Teile polarisierbar oder leitend, bei Magnetismus magnetisierbar oder leitend sein. Einzelne Prinzipien sind daher nicht als universelle Lösung für möglichst viele unterschiedliche Bauteile gleicher Größe geeignet. Unerheblich ist das Material der gegriffenen Teile dagegen für alle Luftlager und Bernoulligreifer. 46

65 3.2 Entscheidungskriterien Beeinträchtigung der Integrität der Bauteile Ein weiteres Kriterium ist die Beeinträchtigung der Integrität der Bauteile. Auch ein Nichtberühren kann bereits schädigen, wenn andere physikalische Effekte auf die Bauteile ganz oder teilweise wirken. Hierzu gehören thermische Einflüsse, z. B. durch Reibung, Strahlung oder induzierte Ströme im Greifer, innere induzierte Ströme im Bauteil und elektrische Spannungen, die bei Halbleitern und Elektronikkomponenten die funktionellen Strukturen zerstören können, sowie Korrosion durch Ladungsverschiebungen oder eine bleibende Magnetisierung. Insbesondere bei Greifern, die mit Luftströmungen arbeiten, können hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu einer Beschädigung feiner Bauteilstrukturen, insbesondere bei dreidimensional strukturierten Oberflächen führen. Daher ist eine möglichst geringe Strömungsgeschwindigkeit bei Luftkissen- oder Bernoulligreifern anzustreben. Ein weiterer Punkt ist die Möglichkeit der Korrosion. Luft transportiert immer Feuchtigkeit mit sich, die bei Entspannung der Luft kondensieren kann. Findet die Entspannung beim Durchqueren des Lagers statt, werden die Oberflächen von Greif- und Grifffläche benetzt. Abhilfe schaffen hier nur eine Entfeuchtung der Luft oder die Verwendung trockener technischer Gase, was beides mit erheblichen Kosten verbunden ist. Bei kleinen statischen Luftlagern konnte im Gegensatz zu Bernoulligreifern dieser Effekt noch nicht beobachtet werden. Bei Ultraschalllagern sind der Luftaustausch und damit der Anteil des enthaltenen Wassers sehr gering, so dass eine Beeinträchtigung der Bauteile eher unwahrscheinlich ist Umsetzungsaufwand der einzelnen Lösung Ein weiteres Kriterium ist der Aufwand, der für die Umsetzung der einzelnen Lösung betrieben werden muss. Idealerweise sollte für den Einsatz des Prinzips keine Veränderung an der Prozessumgebung notwendig sein. Dazu gehören zum Beispiel zusätzlich notwendige Betriebsmedien wie Kälte, Vakuum oder spezielle Schutzgase. Ebenfalls zu beachten ist der Einsatz und Verbrauch der Medien und der Energieverbrauch. Möglicherweise aufwändig ist auch eine nötige Abschirmung des Prozesses gegenüber der Umgebung, z. B. gegen elektromagnetische Wellen oder auch Schwingungen und Schall Verschmutzung Die Frage der Verschmutzung ist für viele der erwähnten Einsatzgebiete der berührungslosen Handhabung sehr wichtig. Dies betrifft sowohl die Erzeugung von Schmutzpartikeln durch den Prozess selbst wie auch die mögliche Aggregation von in der Umgebung oder im Medium vorhandenen Partikeln durch elektrostatische, magnetische oder fluidische Effekte. Jede zusätzlich notwendige Reinigung von Betriebmitteln und Hilfsstoffen sowie Maßnahmen zur Partikelvermeidung verursachen Kosten. 47

66 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften Konstruktive Einflüsse Für die praktische Umsetzung und auch für die im nächsten Punkt erwähnten Kosten sind die konstruktiven Randbedingungen interessant. Dies sind zunächst Baugröße und Gewicht. Wird der gesamte Apparat zu schwer oder sind zu viele Hilfsaggregate oder Zuleitungen notwendig, kann z. B. der Greifer nicht mehr wie bisher an einem Achssystem geführt werden bzw. wird er die gewünschten Taktzeiten nicht erreichen. Das kinematische Konzept muss darauf Rücksicht nehmen. Weiter interessant sind die Bedingungen für den Einsatz in der Serienfertigung. Hier spielen der Einstellbedarf und die Einstellmöglichkeiten, eine mögliche Modularisierung, der Wartungsbedarf und die Zugänglichkeit eine große Rolle. Ein sehr einfacher robuster Aufbau ist hierbei von Vorteil Wirtschaftliche Überlegungen Aus den genannten Punkten lässt sich das letzte Kriterium abschätzen, also der Kostenaufwand für das jeweilige Prinzip. Hier spielen vor allem die notwendigen Geräteinvestitionen, die erreichbare Taktzeit sowie die laufenden Kosten für den Betrieb hinein. Sehr wichtig für die Taktzeit ist die Zeitspanne, die das jeweilige physikalische Prinzip benötigt, um wirksam zu werden, und wie lange der Einschwingvorgang bis zur Regel- oder Steuerbarkeit dauert. Auch stellt sich die Frage, ob ein Einsatz sowohl im manuellen als auch im automatischen Betrieb möglich ist. Zum einen können dann Erfahrungen aus dem Laborbetrieb in die Serienfertigung übernommen werden, zum anderen können insbesondere bei kleinen Stückzahlen Geräte besser ausgelastet werden. Eventuell entstehen dadurch zusätzliche Kosten durch erhöhten Geräteaufwand, z. B. durch manuelle Eingabehilfen Analyse der einzelnen Varianten Aufgrund der Vielzahl der Kriterien ist es im Rahmen dieser Arbeit nur möglich, eine qualitative Abschätzung anzugeben. Für welche Kombination von Prinzipien im jeweiligen Anwendungsfall man sich entscheidet, ist grundsätzlich von dem Produktspektrum abhängig zu machen, für das die Greifer verwendet werden sollen. Ebenfalls sind die Umgebungsbedingungen wie bestimmte Prozessgase oder sogar Vakuum zu beachten. In der folgenden Tabelle ist eine grobe Tendenz mittels einfacher Symbole dargestellt: 48

67 3.2 Entscheidungskriterien Prinzip Luftlager Bernoulliprinzip Ultraschalllager Unterdruck Magnetismus Elektrostatik Abstoßende Kräfte n.m. O O Anziehende Kräfte n.m. + n.m Sehr kleine Bauteile O O + Sehr große Bauteile + + O Schwere Bauteile + O + O/- O - Sehr leichte Bauteile + + O Materialunabhängigkeit Schädigung der Bauteile O O O Umsetzungsaufwand O + O + O O Verschmutzung O - + -/O O - Konstruktive Einflüsse + + O Taktzeit O O Summe ohne Art der Kräfte /7 1-1 Legende: +: sehr gute, O: mittelmäßige, -: schlechte Eigenschaften, n. m.: nicht möglich, die oberen zwei Zeilen werden bei der Addition nicht berücksichtigt Tabelle 1: Bewertung der Eigenschaften der unterschiedlichen Greifprinzipien Es wird deutlich, dass unter den Prinzipien zur berührungslosen Kraftaufbringung der Unterdruck am wenigsten Einschränkungen zeigt. Dieses Ergebnis ist plausibel, wenn man die vielfältige Verbreitung von taktilen Vakuumgreifern in der Produktionstechnik betrachtet. Die Krafterzeugung ist technisch einfach zu bewerkstelligen und breit einsetzbar. Es folgen die anderen auf Luft basierenden Prinzipien, die alle in ihren spezifischen Eigenschaften Vorteile aufweisen. Lediglich der Bernoulligreifer ist dabei nicht für sehr kleine Bauteile geeignet. Mit sehr vielen Einschränkungen und hohem Aufwand behaftet sind magnetische und elektrostatische Prinzipien. 49

68 3 Mögliche Prinzipien zum berührungslosen Aufbringen von Zug- und Druckkräften 50

69 4.1 Gründe für die Entscheidung für den Einsatz von Luftkissen 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse 4.1 Gründe für die Entscheidung für den Einsatz von Luftkissen Die Analyse im vorigen Kapitel zeigt, dass statische Luftkissenprinzipien basierend auf Luftlagern oder Ultraschall, kombiniert mit Vakuum, die meisten Anforderungen an ein universelles Prinzip zum berührungslosen Greifen erfüllen. Diese Kombination wird verallgemeinert als Luftkissen bezeichnet und ermöglicht ein Greifen von Bauteilen von der Oberseite, wobei das Vakuum die Bauteile heranzieht und gleichzeitig der Ultraschall bzw. das Luftlager mit einer Gegenkraft einen Abstand zwischen Greif- und Grifffläche sicherstellen. Das Luftkissen ist im Gegensatz zu elektrostatischen und magnetischen Verfahren werkstoffneutral und vermeidet die wesentlichen Nachteile des Bernoulligreifers: Es ist für kleinere Bauteilgrößen besser geeignet als das Bernoulliprinzip. Bei geeigneter Greifergestaltung des Luftkissengreifers verteilen sich mehrere Überdruck- und Unterdruckbereiche homogen, wodurch die Biegebeanspruchung auf das zu greifende Bauteil erheblich reduziert wird. Beim Bernoulli-Greifer dagegen bildet sich ein Druckprofil mit nur einem Überdruck- und einem Unterdruckbereich aus. Durch die quasistatischen Unterdruck- und Überdruckbereiche werden geringere Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt und oberflächenstrukturierte Bauteile dadurch geschont. Es können größere Druckkräfte mittels des luftlagerähnlichen Luftkissens in das Bauteil eingebracht werden als über die singuläre Druckdüse des Bernoulligreifers. Durch die größere druckerzeugende Fläche und die Möglichkeit der Dosierung der anziehenden und abstoßenden Kräfte kann der Luftspalt zwischen Greifer und Bauteil gezielt verändert und eingestellt werden. Dadurch kann sowohl die Tragkraftcharakteristik als auch die Vibrationsneigung beeinflusst werden. Daher konzentrieren sich die nächsten Abschnitte auf die Entwicklung von Luftkissengreifverfahren basierend auf vorgespannten aerostatischen Luftlagern und vorgespannten Ultraschallluftlagern. Durch den geringen Luftverbrauch und die Möglichkeit der Verwendung von jedem in der Umgebung vorhandenen Fluid eignen sich die beiden Prinzipien auch für Reinräume, da sie den angestrebten Laminar-flow-Zustand (eine laminare Luftströmung von oben nach unten) beim Greifen kleiner Bauteile nicht beeinträchtigen. In den nächsten Abschnitten werden die in Abschnitt 3.1 genannten physikalischen Grundlagen den Anforderungen von Greifern für kleine Bauteile gegenübergestellt. Anschließend an die Auslegung der Greifkraft an sich wird in Kapitel 5 die Erzeugung lateraler Zentrierkräfte betrachtet. 51

70 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse 4.2 Das Verhalten des vorgespannten Luftkissengreifers Das Luftkissenlager entsteht aus der Superposition eines Sauggreifers mit einem Luftlager aus Druckdüsen oder Ultraschall. Während nun der Unterdruck beim Abstand 0 die maximale negative Kraft bereitstellt und bei Entfernen asymptotisch gegen Null schwächer wird, nimmt die ebenfalls beim Abstand 0 maximale positive Tragkraft des Luftlagers gegen Null ab, erreicht die Nulllinie theoretisch ebenfalls nie. Unter Berücksichtigung der meist vernachlässigbaren Gewichtskraft lassen sich diese drei Kräfte in ein gemeinsames Diagramm (Abbildung 18) eintragen und addieren. 1,0 Tragzahl F/F 0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Gewichtskraft Res. Kraft auf das Bauteil Kraft durch Überdruck positiv: vom Greifer weg negativ: zum Greifer hin -0,2-0,4-0,6 P1 Kraft durch Unterdruck P2-0,8 0 1 Spalthöhe d/d0 Abbildung 18: Traglastdiagramm vorgespannter berührungsfreier Lager (Niklaus 1998) Die normierten Kräfte sind an der y-achse aufgetragen, die x-achse zeigt die normierte Spalthöhe zwischen Greif- und Grifffläche. Natürlich verändert sich der Kurvenverlauf mit Änderungen der Geometrie von Saug- und Druckdüsen oder lokalen Veränderungen von Schwingungsamplituden beim Ultraschallgreifer. Diese Veränderungen können mit Hilfe einfacher Prototypen und Funktionsmuster schon in frühen Entwicklungsstadien gemessen und für die Abschätzung des Tragkraftverhaltens in das Diagramm eingetragen werden. Die Summenkurve der drei eingetragenen Kräfte besitzt zwei Nulldurchgänge P1 und P2. Diese repräsentieren die beiden Gleichgewichtslagen des Bauteils. Dabei besitzt der Punkt P1 ein stabiles Gleichgewicht, während P2 einen instabilen Gleichgewichtszustand einnimmt. Ein Bauteil mit einem geringeren Abstand zur Greiferoberfläche als der durch P2 vorgegebene Abstand wird daher immer auf die Lage des Gleichgewichtspunktes P1 zustreben. Besitzt das zu haltende Bauteil aber einen größeren Abstand von der Greiferoberfläche als der instabile Gleichgewichtspunkt P2, so wird es noch zusätzlich von der resultierenden Kraft abgestoßen 52

71 4.3 Gestaltung des Luftlager-Vakuumgreifers und kann in diesem Fall nicht gehalten werden. Der Wirkbereich des Greifers, beispielsweise um ein Bauteil aufzunehmen, liegt also zwischen P1 und P2. Dieses Verhalten begründet eine Selbstregelung des Greifspalts bei gegebenen Parametern. Ziele für die Entwicklung eines stabilen Greifers sind in den folgenden Punkten zusammengestellt: Der Abstand zwischen den Punkten P1 und P2 sollte so groß wie möglich sein. Dadurch eröffnert sich ein weiter Bereich, in dem ein Bauteil aufgenommen werden kann. Der Greifprozess wird toleranter gegenüber Störungen oder geometrischen Abweichungen der Bauteillage. Die Kraftresultierende am Punkt P1 sollte so steil wie möglich sein. Daraus resultiert eine hohe Steifigkeit des Greifverhaltens an der Stelle P1. Geringe Veränderungen des Abstands bewirken in diesem Fall größtmögliche Kraftsprünge. Vor allem beim Aufsetzen des Bauteils wird dadurch die Gefahr eines Kontakts zwischen Bauteil und Greifer vermindert und das Bauteil kann auf die Ablagefläche angedrückt werden. Mit diesen Kriterien steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem die Güte eines berührungslosen Greifers für die senkrecht zur Greiferfläche stehenden Kräfte beurteilt werden kann. Der Entwickler ermittelt experimentell die Kraftverläufe für einzelne Greifflächengeometrien, kombiniert sie und schätzt bereits in frühen Entwicklungsstufen ab, welchen Betriebsbereich der Greifer abdecken wird. Beim Ultraschallgreifer ist dabei die Schwingungsform zu berücksichtigen. Eine dem Luftlager vergleichbare Kraftkurve wird zunächst nur der Stabschwinger erzielen. Jedoch lässt sich das genannte Verfahren in der Praxis auch für größere Flächen und Balkenschwinger einsetzen. Auf ungleichmäßige, über die Fläche verteilte Belastungen ist dann zusätzlich zu achten. 4.3 Gestaltung des Luftlager-Vakuumgreifers Neben der reinen Betrachtung der Kräfte spielt in gleicher Weise die Toleranz des Greifers gegenüber äußeren Störungen, insbesondere dem Verkippen des Bauteils gegenüber dem Greifer eine entscheidende Rolle bei der Konstruktion. Im Folgenden werden einige grundsätzliche Gedanken über die Gestaltung eines Luftlager-Vakuumgreifers dargestellt. Der einfachste Fall eines Greifers ist die konzentrische Anordnung einer Saugzone in einer Blaszone oder umgekehrt, wobei die wirkliche Form der Greiffläche, ob kreisrund oder rechteckig, prinzipiell keine Rolle spielt. Schnell stellt sich bei Versuchen heraus, dass beim mittigen Platzieren der Überdruckzone das Bauteil einen labilen Gleichgewichtszustand einnimmt. Es verkippt sehr leicht, wird an einem Greiferrand angezogen und Greif- und Grifffläche berühren sich dort. Dementsprechend vergrößert sich der Spalt auf der gegenüberliegenden Seite und der Unterdruck wird geringer. Mechanisch lässt sich dieser Zustand mit einer Platte vergleichen, die auf einer Kugel gelagert ist. Lediglich bei einer sehr großen Überdruckzone von mehr als 75 % der Greiffläche wird dieser Effekt schwächer und ein stabiler Greifprozess stellt sich ein. 53

72 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse Im Gegensatz dazu resultieren aus dem umgekehrten Fall der Saugzone in der Mitte der Greiffläche keine Probleme. Ein derartiger Greifer verhält sich sehr gutmütig gegenüber Parameteränderungen. Nur bei extremen Verschiebungen des Bauteils gegenüber dem Greifer aufgrund äußerer Einflüsse kommt es zu unstabilen Greifzuständen. Diese Greiferausführung ist also vorzuziehen, wenn keine weiteren Effekte wie eine Bauteilzentrierung realisiert werden sollen. Wie später zu sehen sein wird (siehe Abschnitt 5.3), ist für eine Bauteilzentrierung eine Luftströmung am Rand in den Greifspalt hinein notwendig, die mit den außen liegenden Druckdüsen nicht realisierbar ist. Wenn der bei kleinen Greifern naturgemäß beschränkte Platz ausreicht, sollte daher die Anzahl der unterschiedlichen Druckzonen erweitert werden. Zum Beispiel kann mit einer Abfolge von drei Unterdruckzonen außen und im Mittelpunkt und zwei jeweils dazwischen liegenden Überdruckzonen der oben beschriebene instabile Effekt vermieden und gleichzeitig eine Anpassung der Stärke der einzelnen Felder flexibel durchgeführt werden. Für eine maximale Einströmung an den Greiferkanten ist der Volumenstrom durch die mittige Saugdüse in etwa dem Volumenstrom der Überdruckdüsen anzupassen, so dass die gesamte Strömung von außen in den Spalt hinein durch die seitlichen Unterdruckzonen aufgenommen wird. Auf diese Weise werden die zwei gewünschten Effekte des Gewichtskraftausgleichs und der Randeffekte, z. B. zum Erzeugen von horizontalen Kräften (vgl. die Ausführungen zu den Zentrierkräften im folgenden Kapitel), voneinander weitgehend entkoppelt. Ungleiche Kräfteverhältnisse sind durch die Größe der Zonen konstruktiv auszugleichen. Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse werden die Greifer für Bauteile mit Abmessungen unter 5 mm in der Regel ohne Vorkammer konstruiert. Dies setzt zwingend die Verwendung von Drosseln in den Luftdüsen voraus, um eine gewisse Steifigkeit des Luftfilms zu gewährleisten. Als Fertigungsverfahren bietet sich daher die Lasermaterialbearbeitung an. Beim Laserbohren wird durch die Kaustik des Laserstrahls automatisch eine kegelige Düsenform erzeugt, die sich hervorragend als Drossel eignet. Die erreichbaren Düsendurchmesser liegen je nach Material und Laserwellenlänge zwischen 20 und 150 µm. Im Rahmen des Forschungsprojektes Formikroprod der Bayerischen Forschungsstiftung werden derzeit auf diese Weise Greiferprototypen für Bauteilgrößen zwischen 0,5 und 5 mm Kantenlänge gefertigt (Zitzmann u. a. 2004). Die Greifer werden aus mehreren Schichten Glas und Silizium aufgebaut. Die einzelnen Schichten werden mittels Laser geschnitten und gebohrt, um dementsprechende Düsen und Luftkanäle zu realisieren. Als Fügeverfahren kommt anodisches Bonden zum Einsatz. Auf diese Weise können relativ schnell komplizierte und trotzdem dichte und reproduzierbare Strukturen aus kleinen Versorgungsleitungen, Luftausgleichsbehältern und mehreren, getrennt beschaltbaren Düsenfeldern gefertigt werden. Es konnte bislang im Handversuch nachgewiesen werden, dass die Greifprozesse realisierbar sind und reproduzierbar beherrscht werden. Ebenfalls machbar sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Bauteilzentrierung sowohl über taktile Anschläge als auch über die in Abschnitt 5.3 beschriebenen fluiddynamischen Effekte. Da die Arbeiten in diesem Forschungsprojekt noch nicht abgeschlossen sind und insbesondere Versuche zur Bauteilaufnahme und -abgabe mit Hilfe eines Handhabungssystems gerade in Vorbereitung sind, soll im Rahmen dieser Arbeit auf dieses viel versprechende Prinzip nicht weiter eingegangen werden. 54

73 4.4 Gestaltung des Ultraschall-Vakuumgreifers 4.4 Gestaltung des Ultraschall-Vakuumgreifers Ultraschall ist als Schall mit Frequenzen von oberhalb 20 khz bis 10 GHz definiert (vgl. Sorge 1985), wobei der bei Ultraschallgreifern verwendete Frequenzbereich zwischen 20 und 100 khz liegt. Der Grund für diese Einschränkung liegt in den im Vergleich zu gewöhnlichen akustischen Anwendungen sehr hohen Amplituden. Bei höheren Frequenzen entstehen große Energieverluste sowie Schäden im Material aufgrund der hohen Spannungen in Verbindung mit der Wechselbelastung. Bei niedrigeren Frequenzen wird der Schall hörbar und für die Personen in der Arbeitsumgebung schnell unangenehm. Für die technische Auslegung bedeutet dieser Frequenzbereich, dass die gängigen Regeln der Akustik und insbesondere der bisher gebräuchlichen Technik im Ultraschallbereich anzuwenden sind. Dies sind insbesondere die Werkstoffprüfung, die Ultraschallschweißtechnik, die Reinigungstechnik und die medizinische Diagnostik. In vielerlei Hinsicht verhält sich Ultraschall analog den elektromagnetischen Schwingungen wie auch dem Licht, wobei bei der Ausbreitung von Ultraschall die bekannten Phänomene wie Überlagerung, Interferenz, Beugung, Reflexion und Brechung sowie der Dopplereffekt auftreten Erzeugung der Ultraschallschwingung Mechanische Schwingungen sind ein grundlegendes Phänomen jedes beliebigen Gegenstands und Mediums. Sie werden bei festen Körpern durch die drei Parameter Masse, Dämpfung und Elastizität bestimmmt. Die Kenntnis des Schwingungsverhaltens ist bei jedem technischen System entscheidend, um entweder störende Schwingungen zu vermeiden (z.b. Verbesserung der Präzision bei Bearbeitungs- und Montagemaschinen, Vermeidung von Verschleiß und Belastungsspitzen bei Lagern) oder wie hier gezielt Schwingungen zu erzeugen. Ulbrich (1996) unterscheidet die vier grundlegenden Schwingungstypen: Freie Schwingungen repräsentieren die Antwort eines Systems auf einen einmaligen Anstoß von außen. Die Frequenz entspricht dabei der/den Eigenfrequenz(en). Erzwungene Schwingungen werden durch äußere Kräfte oder Momente in Systemen erzeugt. Die Ausgangsfrequenz entspricht meist der Frequenz der Anregung, jedoch aufgrund der Energieverluste durch die Dämpfung und dem Energieabfluss in zusätzlich angeregte Resonanzen mit einer abweichenden Amplitude und in der Phase verschoben. Selbsterregte Schwingungen treten in Systemen auf, bei denen der Energieverlust durch innere Dämpfung und Energieabgabe nach außen durch periodische Energiezufuhr ausgeglichen wird. Diese Systeme arbeiten in etwa in ihrer Eigenfrequenz. Parametererregte Schwingungen treten in technischen Systemen auf, die aufgrund ihrer Bewegung zeitlich sich verändernden Anregungen ausgesetzt sind. Die Schwingungsfrequenz liegt bei Vielfachen der sich zeitlich verändernden Anregung. 55

74 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse Für die optimale Nutzung des Effekts des Ultraschallluftlagers sind folgende Randbedingungen entscheidend: Die Schwingung muss kontinuierlich, zuverlässig und reproduzierbar erzeugt werden können. Die erreichbaren Amplituden sind entscheidend für die Maximierung der Tragkraft. Eine bestmögliche Energietransformation ist anzustreben, um die Verluste zu minimieren (Erwärmung, Energieeinsparung) und Verschleiß zu vermeiden. Die Schwingung soll gegenüber Störungen von außen unempfindlich sein und eine möglichst konstante Amplitude aufweisen. Für eine derartige kontinuierliche Schwingung mit Energieabgabe an die Luft kommen daher nur erzwungene und selbsterregte Schwingungen in Frage. Technisch werden vor allem letztere eingesetzt. Ein bekanntes Beispiel ist der piezokeramische Schwingungserzeuger nach dem Prinzip von Langevin (vgl. Abbildung 15). Die Länge dieses Stabschwingers (ein Vielfaches der halben Wellenlänge) bestimmt die Frequenz, in der das System anzuregen ist. Durch die quasi verlustarme Schwingung in der Eigenfrequenz ist innerhalb des Systems weit mehr Energie gespeichert, als pro Schwingung durch innere und äußere Effekte abgegeben wird und aus dem elektrischen System nachgeliefert werden muss. Das Gesamtsystem ist daher unempfindlich gegenüber Störungen und liefert konstante Amplituden. Analog können nach dem Prinzip der selbsterregten Schwingung Balken, Platten und andere beliebig geformte Systeme entwickelt werden, um unterschiedliche Luftlagerformen zu schaffen. Wichtig ist dabei die Untersuchung der Systeme auf unterschiedliche Schwingungsformen. Mehrere benachbarte Resonanzfrequenzen sind zu vermeiden. Insbesondere Eigenformen ähnlicher Frequenzen in unterschiedlichen Koordinatenrichtungen sind nur schwer beherrschbar und können zu unerwünschten Interferenzen führen. Im Gegensatz zum Einsatz selbsterregter Schwingungen ist der Einsatz erzwungener Schwingungen nur für sehr kleine Systeme empfehlenswert. Aufgrund des hohen Energieverlustes bei der Erzeugung großer Amplituden und der möglichen Anregung verschiedener Resonanzen werden die Vorhersage des Systemverhaltens sowie die Kontrolle des Systems im Betrieb sehr aufwändig. Ein Beispiel ist der mögliche Einsatz von schwingenden Piezoplättchen, um kleine Glasplättchenschwebenzulassen Schallausbreitung in Festkörpern und Fluiden Für die Auslegung und Gestaltung der Werkzeuge ist die Kenntnis der Mechanismen der Schallausbreitung in Festkörpern und Fluiden wichtig. Fluide können im Gegensatz zu Festkörpern keine Querkräfte aufnehmen. Daher treten hier nur Longitudinalwellen auf. Die Modellvorstellung der Longitudinalwelle ist in Abbildung 19 dargestellt. Die Wellenausbreitungsrichtung ist parallel zur Schwingungsrichtung der Elementarteilchen im Medium. Andere Bezeichnungen für diese Wellenart sind Dichte-, Druck-, Kompressions- oder auch Dilatationswelle. 56

75 4.4 Gestaltung des Ultraschall-Vakuumgreifers Schwingungsrichtung Wellenausbreitungsrichtung Abbildung 19: Longitudinalwelle (nach Kuttruff 1988) Im Gegensatz dazu können Festkörper zusätzlich eine Vielzahl anderer Schwingungsformen annehmen. Dies kann für die Schallleitung zu unterschiedlich gestalteten Wirkflächen oder den Transport und die Verteilung der Schallenergie von einem Schallerzeuger zu mehreren Wirkflächen eingesetzt werden. Zur Vereinfachung werden die Werkstoffe als isotrope Werkstoffe mit richtungsunabhängigen elastischen und physikalischen Eigenschaften angenommen. Da die schwingenden Systeme für diese Arbeit meist aus Aluminium oder Titan gefertigt wurden, ist diese Vereinfachung zulässig und zutreffend. Für eine gegebene Dichte ρ des homogenen und isotropen Werkstoffes mit den zwei Elastizitätszahlen δ und µ, den Laméschen Konstanten, kann die Schallgeschwindigkeit der longitudinalen Welle im unendlich ausgedehnten Medium wie folgt angegeben werden (vgl. Kuttruff 1988): 2µ + δ c L, = (4-1) ρ Mit der Möglichkeit, Querkräfte und damit Schubspannungen aufzunehmen, sind sog. Transversalwellen oder auch Schub- oder Scherwellen möglich. Ihre Wellenausbreitungsrichtung steht senkrecht zur Schwingungsrichtung der schwingenden Teilchen. Damit ist die Angabe der Polarisation, also der Schwingungsrichtung der Teilchen, zur vollständigen Beschreibung der Welle nötig (vgl. Sorge 1985). Eine Darstellung der Schwingung zeigt Abbildung

76 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse Wellenausbreitungsrichtung Schwingungsrichtung Abbildung 20: Transversalwelle (nach Kuttruff 1988) Die Transversalwelle breitet sich im unendlich ausgedehnten Medium mit folgender Schallgeschwindigkeit aus: µ c = ρ (4-2) Die Laméschen Konstanten der Akustik lassen sich in die in der Mechanik üblichen Elastizitätszahlen E für den Youngschen Elastizitätsmodul, ν für die Querkontraktionszahl, auch Poissonzahl genannt, und G für den Schubmodul des Werkstoffes wie folgt umrechnen: 1 E µ = = G 2 1+ ν ν E δ = ( 1+ ν )(1 2ν ) (4-3) (4-4) Mit diesen beiden Schwingungsarten der Longitudinal- und Transversalwelle können alle weiteren, komplizierteren Schwingungen im realen, endlich ausgedehnten Körper wie einer Platte oder einem Stab durch Überlagerung gebildet werden. Ein Beispiel sind Stäbe, die im Verhältnis zur Wellenlänge der durchlaufenden Schwingung dünn sind. Es tritt dabei bei den longitudinalen Schwingungen eine Querkontraktion des Materials auf. Man spricht dabei von Dehnwellen oder Quasilongitudinalwellen, die hauptsächlich longitudinale Schwingungen ausführen, aber auch einen geringen transversalen Anteil haben (Abbildung 21). Diese breiten sich im Stab mit folgender Schallgeschwindigkeit aus: E cd / QL, Stab = (4-5) ρ 58

77 4.4 Gestaltung des Ultraschall-Vakuumgreifers Wellenausbreitungsrichtung Schwingungsrichtung Abbildung 21: Dehn- oder Quasilongitudinalwelle (nach Kuttruff 1988) Bei Anregungen senkrecht zur Stabachse führen Stäbe meist Biegeschwingungen aus. Biegewellen beruhen auf Transversalwellen, die den Stab durchlaufen und die Teilchen parallel zur Oberfläche auslenken. Die Auslenkung steht senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung. Eine Biegeschwingung ist in Abbildung 22 dargestellt und schreitet im Stab mit folgender Schallgeschwindigkeit fort: ω B, = (4-6) ρ c E Stab Dabei steht ω für die Kreisfrequenz der Schwingung und B' für die Biegesteifigkeit des Stabes. Für einen kreisförmigen Stabquerschnitt mit Radius a berechnet sich die Biegesteifigkeit folgendermaßen: 2 a B'= E 4 (4-7) Wellenausbreitungsrichtung Schwingungsrichtung Abbildung 22: Biegewelle (nach Kuttruff 1988) Damit ist die Schallgeschwindigkeit einer Biegewelle im Gegensatz zu allen anderen bisher betrachteten Wellenarten über die Kreisfrequenz ω von der Wellenfrequenz f abhängig. Der Vollständigkeit halber genannt werden noch zwei weitere auftretende Wellentypen. Abbildung 23 zeigt eine Torsionswelle, die im Bereich der Ultraschalllevitation bisher noch nie eingesetzt wurde. 59

78 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse Abbildung 23: Torsionswelle (nach Kuttruff 1988) Abbildung 24 zeigt die so genannte Oberflächen- oder Rayleighwelle, die beim taktilen Transport kleiner Bauteile oder von Fluiden in der Mikroverfahrenstechnik verwendet wird. Die Teilchen oder Fluide bewegen sich wegen der kreisförmigen Mikrobewegungen an der Oberfläche entgegen der Wellenausbreitungsrichtung. Im Bereich der Ultraschalllevitation hat diese Wellenform keine Bedeutung. Wellenausbreitungsrichtung Wellenausbreitungsrichtung Abbildung 24: Rayleighwelle (nach Kuttruff 1988) Schallwandlung in festen Körpern Neben der Auswahl der gewünschten Wellenform ist oft eine Anpassung der Amplitude und damit der Schallschnelle notwendig. Vor allem bei der Erzeugung von Ultraschall mittels Piezokeramiken entstehen zunächst nur kleine Amplituden von wenigen Mikrometern. An der späteren Greiferfläche werden meist Amplituden von 10 bis zu 100 µm benötigt. Diese Amplitudenwandlung kann durch eine mechanische Anpassung des Schallübertragungselements, vor allem durch die geometrische Form erreicht werden. Im Wesentlichen sind drei Grundtypen dieser Übertragungselemente, oft als Horn oder Schallrüssel bezeichnet, bekannt. Sie werden im Folgenden kurz vorgestellt. 60

79 4.4 Gestaltung des Ultraschall-Vakuumgreifers Da ein piezokeramischer Schwingungserzeuger nach dem Prinzip von Langevin (vgl. Abbildung 15) immer ein Stabschwinger ist, wird eine quasilongitudinale Schwingung angenommen. Um eine optimale Übertragung der Schallleistung von Schwingungsbauch zu Schwingungsbauch zu gewährleisten, ist für die Länge der Übertragungselemente ein ganzzahliges Vielfaches der halben quasilongitudinalen Wellenlänge zu wählen. Nach Kuttruff (1988) existieren drei Grundtypen, die jeweils mit ihrer geometrischen Ausführung und der Verteilung der Schallschnelle dargestellt werden. Die Hörner zeichnen sich jeweils durch ihre Länge l H, ihre Koppelungsfläche S1 zum Ultraschallgenerator und ihre Koppelungsfläche S2 zum Ultraschallverbraucher aus. Die einfachste Form ist das Stufenhorn (Abbildung 25). Es besteht aus der Kombination zweier Stäbe mit unterschiedlichen Durchmessern. Das Verhältnis der Amplitudenveränderung ist proportional zu dem Verhältnis der beiden Durchmesser zueinander. Da an der Übergangsstelle sehr hohe Kerbkräfte auftreten, werden oft Verrundungen oder kurze konische Übergänge vorgesehen. Insgesamt ist das Horn nur gering belastbar. Schallschnelle Abbildung 25: Stufenhorn mit Verteilung der Schallschnelle (nach Kuttruff 1988) Eine zweite Form ist das konische Horn (Abbildung 26). Es bietet eine geringere Steigerung der Schallschnelle und damit eine sanftere Anpassung der Amplitude. Zu beachten ist, dass der Ort des Schwingungsknotens nicht mehr mittig im Horn liegt und die Länge anzupassen ist. 61

80 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse Schallschnelle Abbildung 26: Konisches Horn mit Verteilung der Schallschnelle (nach Kuttruff 1988) Die dritte Form stellt das Exponentialhorn dar. Es bietet einen höheren Anstieg der Schallschnelle als das konische Horn, vergleichbar mit dem Stufenhorn, ist aber fertigungstechnisch aufwändiger (Abbildung 27). Schallschnelle Abbildung 27: Exponentialhorn mit Verteilung der Schallschnelle (nach Kuttruff 1988) Bei Exponentialhörnern trifft die vorherige Forderung nach einem Vielfachen der halben Wellenlänge für die geforderte Länge nicht mehr zu. Die Geschwindigkeit der Quasilongitudinalwelle im sich exponentiell verjüngenden Körper ist nicht mehr nur von Materialkennwerten, sondern auch von der Frequenz der Schwingung abhängig. Um einen optimalen Energieumsatz mit möglichst geringen Verlusten zu erzielen, wird bei den Schallerzeugern immer angestrebt, eine Schwingungsform zu finden, die einer Eigenschwingung des Schallerzeugers und der Schallleiter entspricht. Im folgenden Abschnitt wird auf diese Punkte näher eingegangen. 62

81 4.4 Gestaltung des Ultraschall-Vakuumgreifers Schallleitung und Schalltransport Sowohl am freien Ende des Horns, an dem die Schwingung auf das umgebende Medium (Luft) abgegeben werden soll, um das Luftkissen zu erzeugen, als auch zwischen den einzelnen Teilen des schallerzeugenden und schallleitenden Systems treten Übergangseffekte auf, die in der Auslegung zu berücksichtigen sind. Es ist möglich, durch geschickte Kombinationen der Schwingungsformen in unterschiedlichen Bauteilen die Schwingung auszubilden, zu leiten und an unterschiedlichen Stellen austreten zu lassen. An allen Übergängen treten dieselben Phänomene auf wie bei anderen bekannten Schwingungsformen: Brechung, Beugung und Reflexion. Zum Effekt der Brechung kommt es immer dann, wenn Schalleintrittswinkel bei einem Übergang in das nächste Medium ungleich 90 betragen. Eng damit verbunden ist die (Teil-) Reflexion. Mit Hilfe der unterschiedlichen Dichten ρ 1, ρ2 und den Schallgeschwindigkeiten in den Medien c 1, c2 kann das Reflexionsvermögen R an den Materialübergängen berechnet werden (vgl. Kuttruf 1988): ρ c R = ρ c ρ1c 1 + ρ1c1 (4-8) Daraus berechnet sich der Durchlässigkeitskoeffizient D, der das Verhältnis zwischen durchgehender und einfallender Schallintensität beschreibt. Das Reflexionsvermögen und der Durchlässigkeitskoeffizient ist für den senkrechten Schalldurchtritt für verschiedene Materialkombinationen in der folgenden Tabelle 2 dargestellt: Titan Titan ρ 1 [kg/m³] c 1 [m/s] ρ 2 [kg/m³] c 2 [m/s] R [] D [] ,0 1,0 Titan Aluminium ρ 1 [kg/m³] c 1 [m/s] ρ 2 [kg/m³] c 2 [m/s] R [] D [] ,625 0,9375 Titan Luft ρ 1 [kg/m³] c 1 [m/s] ρ 2 [kg/m³] c 2 [m/s] R [] D [] , , , Tabelle 2: Durchlässigkeitskoeffizient und Reflexionsvermögen Wie zu erkennen ist,wird beim Übergang an Luft annähernd die ganze Schallenergie in den Schallerzeuger zurückreflektiert, lediglich ein Bruchteil tritt an der Sonotrodenfläche aus. Daher ist es umso wichtiger, innerhalb der schwingenden Systeme optimale Reflexionseigen- 63

82 4 Einsatz des Luftkissenprinzips für Greifprozesse schaften und stehende Wellen im Material zu schaffen. Diese Konstruktionen sind dann sehr robust gegenüber äußeren Einflüssen, da die Schwingung in der jeweiligen Eigenform wie ein Energiespeicher wirkt. Eine weitere Maßnahme, Energieverluste zu vermeiden, ist eine möglichst begrenzte Aufhängung des Systems in einem Knotenpunkt. Meist steht hier ein Knotenpunkt des Schwingungserzeugers zur Verfügung, der sich annähernd in Ruhe befindet. Damit wird vermieden, dass das gesamte System bereits sich selbst in nutzlose Schwingungen versetzen muss. Dagegen sollten Übergänge zwischen Materialien immer in Schwingungsbäuche gelegt werden, um an den Stellen der maximalen Amplitude optimale Schwingungsübertragung zu erzielen. Auch können an diesen Stellen durch geeignete geometrische Konstruktionen Änderungen der Schwingungsform erzielt werden (vgl. die Umwandlung einer quasilongitudinalen Schwingung in eine Biegeschwingung und zurück beim dritten Anwendungsbeispiel Abschnitt 7.3.3). Nachteilig bei diesem Vorgehen ist die Beschränkung der Werkzeuglänge auf ganzzahlige Vielfache der Wellenlängen im jeweiligen Material. Da im Fall der berührungslosen Handhabung Ultraschallgeneratoren und verschiedene Hörner für eine Anzahl unterschiedlicher Aufgaben bzw. zu greifende Bauteile eingesetzt werden, wird für jede Anwendung eine spezielle Sonotrodenform benötigt. Wenn der Anpassungsaufwand für die Greifsysteme begrenzt werden soll, empfiehlt es sich, eine modulare Bauweise anzustreben. Dies bedeutet, das letzte schallübertragende Horn kürzer als die für den optimalen Übertragungsfall nötige Länge zu gestalten. Die fehlende Schwinglänge wird jeweils durch speziell gestaltete Sonotrodenenden ergänzt, die bezüglich der Anwendung optimiert sind. Die Abmessungen von Ultraschallgenerator und Horn (zusammen x G ) und Ultraschallsonotrode ( x S ) sind vereinfacht so aufeinander abgestimmt, dass der Abstand x zwischen dem ultraschallerzeugenden Paket im Generator und dem freien Ende der Sonotrode stets folgende Bedingung erfüllt, um maximale quasilongitudinale Schallübertragung von der Sonotrode auf das angrenzende Medium, meist Luft, zu erzielen: λ n = x = x G + x S 2 Die Zusammenhänge sind schematisch in Abbildung 28 dargestellt. mit n [ 1,2,3,... ] (4-9) Ultraschallgenerator und Horn Sonotrodenspitze Abbildung 28: Skizze der Längenverhältnisse an Ultraschallgenerator und Sonotrode 64