Herr Hille, um was für eine Lösung handelt es sich genau, die Sie in Nürnberg auf der Messe erstmals präsentieren?
Volker Hille: Das Mehrachssystem Fast-Four-Axis-System for Pick’n’Place, kurz Fast 4 PnP, ist eine neuartige Positionier- und Bewegungslösung, in der erstmals Luftlagertechnik, CFK-Verbundmaterialen und Granit miteinander kombiniert wurden. JAT hat das Positioniersystem entwickelt, um sehr hohe Ansprüche an Genauigkeit und Dynamik zu erfüllen. Dafür haben wir Nischentechniken des klassischen Maschinenbaus miteinander kombiniert und ihre Vorteile vereint.
Wie ist das System aufgebaut und welche Leistungsparameter bringt es mit?
Konzipiert ist das System als Gantry, das eine Leichtbauachse aus kohlefaserverstärktem Kunststoff verfährt. Aufgrund seiner mechanisch und thermisch hohen Belastbarkeit ist der Verbundwerkstoff CFK prädestiniert für diesen Einsatz. Aus einem Carbon-Hohlkörper gefertigt, wird das Eigengewicht der Achse im Vergleich zu Vollmaterial fast um 75 Prozent reduziert. An der Leichtbauachse verfährt ein Schlitten, der ebenfalls aus kohlefaserverstärktem Kunststoff besteht und nur 2kg wiegt. Die enorme Reduzierung der Masse steigert die Dynamik des Mehrachssystems außerordentlich. Außerdem haben wir für ein reibungsloses Verfahren die Wälzlagerführung durch Luftlager ersetzt. Wälzlager durchlaufen drei Reibungsformen: Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung, die die Dynamik des Systems einschränken würden. Die Verwendung von Luftlagern eliminiert die Reibung vollständig. Das System wird Stick-Slip-frei bewegt. Dadurch wird die Dynamik und auch Genauigkeit des Systems außergewöhnlich hoch. Beschleunigungen von 100m/s² sind damit umsetzbar. Das Fundament aus Granit bietet eine hohe thermische Stabilität und sehr gute Schwingungsdämpfung. Das Mehrachssystem positioniert wiederholgenau im zweistelligen Nanometerbereich. Die Glieder von Schleppketten haben üblicherweise Einfluss auf die Genauigkeit. Daher haben wir uns entschieden, Schleppkettenschläuche zu verwenden.
Aus welchen Bereichen und Branchen kamen die Anforderungen für solch ein System?
Mikrochips in smarten Produkten werden immer leistungsfähiger und der Bauraum immer kleiner. Doch Maschinenhersteller in der Halbleiterfertigung geraten zunehmend an die Grenzen, was Genauigkeit und Dynamik betrifft. Entsprechend sind derartige Systeme in der Elektronikfertigung sehr gefragt, z.B. für Pick&Place-Anwendungen mit kurzen Strecken, bei denen es auf Beschleunigung ankommt. Ein schnelles hochdynamisches Positionieren von Chips, Leiterplatten oder ähnlichen elektronischen Bauteilen, die Belichtung einzelner Bauelemente auf einem Wafer oder das Microdicing bzw. Microbonden in der Leiterplattenbearbeitung sind passende Beispiele. Darüber hinaus gibt es noch viele weitere denkbare Einsatzszenarien. So kann man mit dem neuartigen Mehrachssystem einen Laser, beispielsweise Faserlaser, hochdynamisch und ultrapräzise verfahren. Die entsprechende Dynamik hat den Vorteil, dass das zu bearbeitende Material nicht verbrennt. Durch die Genauigkeit erhalten Ecken und Radien eine saubere präzise Kontur. Zusätzlich könnte man simultan arbeiten, also ein weiteres Werkzeug auf der anderen Seite der Achse anbringen und diese gegeneinander laufen lassen.
Welche speziellen Anforderungen muss das System dafür erfüllen?
Für derart sensible Produktionsprozesse ist die Reinraumtauglichkeit eine unabdingbare Voraussetzung. Das Gantry-System ist konzipiert für die Reinraumklasse ISO 5. Es kann aber durch Änderungen an Reinräume der ISO-Klasse 4 oder sogar 3 angepasst werden. Das System benötigt keine Schmierung, verfährt verschleiß- und Stick-Slip-frei. Somit entfällt eine regelmäßige Wartung und das Portal kann rund um die Uhr laufen – 24 Stunden an sieben Tagen der Woche. Mit Blick auf die Infrastruktur benötigt der Anwender nur einen Druckluftanschluss. Den Rest inklusive der gesamten Regelungstechnik liefern wir, quasi als Rundum-Sorglos-Paket. Die Maschine nehmen JAT-Ingenieure vorab in Betrieb.
Welche Herausforderungen waren bei der Realisierung des Gantry-Systems zu lösen?
Die große Herausforderung war es, erstmals die zwei Nischentechniken des klassischen Maschinenbaus miteinander zu kombinieren. Bisher hatten wir Erfahrung mit Leichtbauachssystemen und auch mit luftgelagerten Systemen, aber diese nie vereint. Weiterhin haben wir das System komplett über die Antriebsregelung bis zur Steuerung inhouse umgesetzt. Glücklicherweise haben wir alle Gewerke im Haus, von der Elektroplanung bis zur Softwareentwicklung, von der Vorfertigung bis zur Prüftechnik, so dass Abstimmungen nur kurze Wege und wenig Zeit beanspruchen. Das Projekt haben wir in der Design- bzw. Konzeptionierungsphase in einem Team entwickelt. Moderne agile Methoden, tägliche Meetings und eine enge Kommunikation haben uns geholfen, das komplexe Projekt mit dem hohen Technologiegrad erfolgreich umzusetzen.
