Kraftgeregeltes berührungsloses Handhaben und Fügen mittels Leistungsultraschall
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Nachfrage nach Mikrosystemen wird vor allem von der Unterhaltungselektronik, der Automobiltechnik und der Medizintechnik getrieben. Besonders in den letzten Jahren ist eine kontinuierlich fortschreitende Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik zu beobachten. Dieser Trend führt jedoch zu immer empfindlicheren Bauteilen, Oberflächen sowie Funktionsstrukturen und somit zu einem Bedarf an neuen, schonenden Lösungsansätzen in der Handhabungs- und Fügetechnik. Auf Leistungsultraschall basierende, berührungslos arbeitende Systeme ermöglichen einen schonenden Handhabungsprozess ohne mechanischen Kontakt zwischen Bauteiloberfläche und Greifer. Der Kenntnisstand zur Antragsstellung erlaubte die Realisierung erster Funktionsmuster und Greifer. Allerdings ist es bisher nicht möglich, definierte Fügekräfte beim Ablegen der Komponenten durch eine gezielte Regelung der Prozessparameter auf die Bauteile aufzubringen. Um dies zu erreichen, werden in diesem Forschungsvorhaben eine grundlegende Untersuchung sowie eine Beschreibung des Gesamtsystems durchgeführt. Dieses besteht aus den mechanischen und piezoelektrischen Komponenten des Ultraschallerzeugers, der Regelung sowie dem Luftspalt und dem levitierten Bauteil. Das Arbeitsprogramm lässt sich somit in die Untersuchung des Luftspalts, des elektromechanischen Wandlers und der Entwicklung einer Fügekraftregelung im 3. Antragsjahr gliedern. In den Abschnitten 3.2.3, 3.2.4, 3.3.3 und 3.3.4 werden eine eingehende Untersuchung des Luftspalts durchgeführt. Die Simulationsmodelle nach [1], [2] und [3] wurden um die Möglichkeit zur Modellierung inkompressibler viskoser Fluide erweitert. Ziel der Modellbildung waren zwei- bzw. dreidimensionalen Simulationsmodelle auf Basis der strömungsmechanischen Grundgleichungen in radialsymmetrischen bzw. kartesischen Koordinaten. Die Ergebnisse für die räumliche und zeitliche Druckverteilung im Luftspalt zeigen, dass die zwei- bzw. dreidimensionalen Modelle im Gegensatz zu den einfachen, auf der Reynoldsgleichung basierenden Modellen, in der Lage sind, grundlegende strömungsmechanische Phänomene abzubilden. Ein charakteristisches Strömungsphänomen, das beobachtet werden konnte, ist die Ausbildung einer ins Zentrum des Luftspalts hineinlaufenden Druckwelle. Deren Wellenlänge zeigt entsprechend der linearen Wellentheorie eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz des Ultraschallschwingers. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messungen des Druckprofils im Luftspalt bestätigt dieses charakteristische Strömungsphänomen. Die experimentelle Verifizierung und Optimierung der Simulationsmodelle erfolgte mit einem hochsensiblen Drucksensor, welcher an der Unterseite eines Probenkörpers angebracht ist. Des Weiteren ist sowohl rechnerisch als auch experimentell ein erheblicher Einfluss der Eigenform der Anregungsschwingung auf die Ausbildung des Druckprofils im Luftspalt festzustellen. Ergänzend zu den Druckmessungen wurde sowohl experimentell als auch mit Hilfe der erweiterten Simulationsmodelle das Traglastverhalten von Ultraschallschwingern ermittelt. Ein weiterer Vergleich zwischen Rechnung und Experiment zeigte, dass die mehrdimensionalen Simulationsmodelle das Traglastverhalten, insbesondere für hohe Kompressionen, wesentlich genauer als die bisher genutzten Modelle annähern. Des Weiteren werden in den Abschnitten 3.2.1, 3.2.2, 3.3.1 und 3.3.2 analytische, numerische und experimentelle Untersuchungen von Ultraschallgeneratoren beschrieben. In einem ersten Schritt wurden die Eigenformen und Schwingungsamplituden der Ultraschallgeneratoren bestimmt, da diese als Randbedingungen für die Berechnung der Strömungscharakteristik der Nahfeldlevitation benötigt werden. Für die angestrebte Entwicklung einer Fügekraftregelung und der damit verbundenen Notwendigkeit einer Amplitudenregelung der Ultraschallwandler ist hierfür insbesondere deren Systemverhalten im Frequenzbereich von Bedeutung. Insbesondere galt es das Übertragungsverhalten zwischen der Amplitude der Greiferspitze und dem elektrischen Potential an der integrierten Messpiezokeramik zu bestimmen. In einem weiteren Schritt lag der Fokus deshalb auf der numerischen Modellbildung und Berechnung der Ultraschallgreifer. Die Modellierung der mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften der Ultraschallwandler mit Hilfe von Finiten Elementen ermöglicht die Berechnung der relevanten Frequenzgänge und die Ableitung eines ordnungsreduzierten Zustandsraummodells. Ein Vergleich mit entsprechenden Messungen bestätigte die Zweckmäßigkeit dieser Vorgehensweise. Als sehr kritisch erweist sich allerdings die Identifikation einer realistischen Systemdämpfung. Die im Rahmen der ersten Förderphase erarbeiteten Grundlagen bilden die theoretische Basis für die Implementierung einer Fügekraftregelung im zweiten Förderzeitraum. Der aktuelle Stand der Forschung bildet die theoretische Grundlage zur Regelung der Kraft auf ein Bauteil im Nahfeld eines Ultraschallschwingers. In zukünftigen Arbeiten gilt es, die identifizierten Übertragungsstrecken der Teilsysteme in einem integrierten Gesamtsystem zusammenzuführen und dieses um entsprechende Strukturen zur Regelung des Abstands zwischen Bauteil und Greifer sowie zur Regelung der Fügekraft zu erweitern. Ziel ist es, einen Versuchsstand zur prototypischen Umsetzung und Verifikation der Fügekraftregelung aufzubauen. Näheres hierzu ist Abschnitt 3.4 am Ende dieses Dokuments und dem beigelegten Fortsetzungsantrag zu entnehmen. In der Mikrosystem- und Halbleitertechnik besteht ein hoher Bedarf an schonenden Handhabungssystemen. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes „SonicGrip“ wird deshalb an der Integration der berührungslosen Ultraschallgreiftechnik in produktionstechnische Anlagen für die automatisierte und semimanuelle Bestückung von kleinen Bauteilen gearbeitet. Die Integration des Greifers erfolgt hierbei in Bestückautomaten der Firma Siemens und in Hochpräzisionsroboter der Firma MiLaSys. Seitens der Projektpartner besteht großes Interesse hinsichtlich der Integration der Fügekraftregelung in die Ultraschallvakuumgreiftechnologie. Die praktische Umsetzbarkeit der im Rahmen dieses Vorhabens entwickelten Fügekraftregelung wird in regelmäßigen Absprachen mit den Industriepartnern sichergestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Handhabung in besonderen Produktionsumgebungen. wt Werkstattstechnik – Online (2006) 3, S. 81–84
Zäh, M.; Franzkowiak, M.; Harfensteller, M.; Heinz, M.; Reiter, A.; Schilp, J.; Zitzmann, A.
- Auf Luft gebettet - Berührungsloses Handhaben empfindlicher Bauteile. Handling (2007) 10, S. 66–67
Reinhart, G.; Baur, M.; Heinz, M.; Zimmermann, J.; Zitzmann, A.
- Non-contact handling for sensitive parts. In: Gessner, T. (Hrsg.): Smart Systems Integration; Paris 2007 March 27-28. Berlin und Offenbach: VDE Verlag GmbH 2007, S. 121-128
Zäh, M. F.; Heinz, M.
- Ultraschall - Feinfühlig und dennoch kraftvoll. wt Werkstattstechnik – Online (2007) 9, S. 615–619
Heinz, M.; Reinhart, G.
- Berührungslose Greiftechnologien für die Halbleiter- und Mikrosystemtechnik. In: Reinhart, G., et al. (Hrsg.): münchener kolloquium - Innovation für die Produktion. München: Herbert Utz Verlag GmbH 2008, S. 253–263
Heinz, M.; Kirchmeier, T.; Reinhart, G.
