Erweiterung der integrierten Prozessketten zur Teilefertigung
um Füge- und Montageoperationen


Prof. Dr.-Ing. Jens Wulfsberg, Laboratorium Fertigungstechnik, Universität der Bundeswehr Hamburg

Problemstellung

Die Herstellung monolithischer Mikrosysteme einerseits und hybrider Mikrosysteme an-dererseits lässt sich anhand der für die Formgebung und das Fügen verwendeten Ferti-gungsverfahren unterscheiden. So kommen bei der Herstellung monolithischer Mikro-systeme überwiegend die aus der Mikroelektronik entstandenen 2 1/2 dimensional arbei-tenden Verfahren, die eine Auflösung und Genauigkeit im Submikrometerbereich besit-zen, zum Einsatz. Montagefunktionen im Mikrobereich lassen sich mit diesem Verfahren durch die geschickte Auslegung von Prozessketten aus einer Kombination von abtra-genden (z.B. Ätzen) und auftragenden (z.B. Galvanisieren) Verfahren erreichen, durch die eine Mikro-Baugruppenbildung aus gegeneinander beweglichen Teilen möglich ist. Nachteil dieser Vorgehensweise ist jedoch das eingeschränkte Werkstoffspektrum und die geringere Geometrievielfalt, verglichen mit den Verfahren der Feinwerktechnik. An-dererseits ist es jedoch als Vorteil anzusehen, dass die Position der Einzelteile der so montierten, monolithisch hergestellten Mikrobaugruppen im Arbeitsraum, d.h. im Koordi-natensystem der Fertigungseinrichtung, stets bekannt ist, wodurch hohe Fertigungsge-nauigkeiten zu erzielen sind.

Auf der anderen Seite jedoch basiert die Montage hybrider subfeinwerktechnischer Sys-teme heute noch auf Verfahrensansätzen der konventionellen Fertigung, die lediglich nach unten skaliert wurden. Dadurch entsteht ein hoher Forschungsbedarf der deutlich von den Arbeiten zur Herstellung monolithischer Mikrosysteme zu unterscheiden ist.

In heute angewendeten Prozessketten werden die Einzelteile der hybriden Systeme zu-nächst hergestellt, geprüft, gelagert, vereinzelt, orientiert, positioniert und dann mit ande-ren Teilen oder Baugruppen gefügt oder montiert. Als wesentlicher Nachteil dieser Vor-gehensweise ist der Verlust der Referenz der Mikro-Baugruppe zum Koordinatensystem der Fertigungseinrichtungen zu sehen. Hierdurch entstehen bei der Montage uner-wünschte Abweichungen zwischen der Soll- und Istposition der Mikroteile, die nur mit erheblichem Mess- und gerätetechnischen Aufwand zu beheben sind, um die geforderte Montagegenauigkeit zu erzielen. Als Vorteile dieser Prozessketten sind andererseits je-doch die Einsetzbarkeit einer breiteren Palette von Ingenieurwerkstoffen, die Möglichkeit einer echten dreidimensionalen Fertigung kleiner Strukturen bis in den Bereich einiger 1/100 mm sowie die wirtschaftliche Herstellung auch kleiner bis mittlerer Losgrößen zu nennen.

Bei der Herstellung hybrider Mikrosysteme existieren heute also folgende Problemfelder:

Der Herstellprozess, bestehend aus geometrieerzeugenden Fertigungsverfahren und Fügeverfahren, ist wie in der konventionellen Fertigung aus seriellen Prozessketten auf-gebaut. Hierdurch wird nach jedem einzelnen Prozessschritt das Einzelteil oder die Mikrobaugruppe aus dem Referenzsystem, also dem Koordinatensystem der Maschine, entlassen. Jegliche Daten über Positionen und Orientierung des Werkstückes gehen verloren und müssen vor Abarbeitung des folgenden Prozessschrittes wieder erzeugt werden. Die dabei entstehenden Positionier-, Orientierungs- und Spannfehler beeinflus-sen direkt die erzielbare Qualität der gefügten hybriden Mikrosysteme oder limitieren die minimale Bauteilgröße, die noch gefügt werden kann. Zudem sinkt die Wirtschaftlichkeit einer derartig aufgebauten Prozesskette.

Zukünftige Arbeiten zu diesem Thema verfolgen zwei Hauptziele:

In eine exemplarische Fertigungseinrichtung, die der Komplettbearbeitung komplexer Mikroteile durch Zerspan- und Laseroperationen dient, soll eine Handhabungseinrich-tung integriert werden. Hierbei soll ein hochgenauer Roboter mit einer Wiederholgenau-igkeit von +/- 5 um eingesetzt werden. Durch diese Vorgehensweise sollen die bisher möglichen Prozessketten zur Herstellung von Einzelteilen um Füge- und Montagepro-zesse zur Mikrobaugruppenfertigung erweitert werden. Die Vorteile, die sich aus der In-tegration aller Verfahren in einem Koordinatensystem ergeben, sollen genutzt werden. Bei den Vorteilen handelt es sich im Wesentlichen um die Erhöhung der Montagegenau-igkeit, weil die Einzelteile das Referenzsystem von Maschine und Roboter nicht verlas-sen und um eine weitere Miniaturisierung der zu montierenden Einzelteile.

Das zweite Hauptziel verfolgt die Darstellung der technischen und wirtschaftlichen Po-tentiale dieses neuen Konzeptes.

Hierzu werden mit Industriepartnern relevante Demonstratorbaugruppen aus der aktuel-len Produktion ermittelt. Für diese Baugruppen werden die bisherigen Prozessketten technisch und wirtschaftlich beurteilt. Darauf aufbauend werden alternative, kürzere Pro-zessketten unter Nutzung der neuen Fertigungseinrichtung entworfen und auf die De-monstratoren angewendet.

Übergeordnetes Ziel ist es also, den potentiellen Anwendern die technischen und wirt-schaftlichen Potenziale der um die Füge- und Montagetechnik erweiterten integrierten Prozessketten für die Mikrofertigung verfügbar zu machen.


Bild 1: Prinzip der Integration des Montageroboters in die Bearbeitungsmaschine

Realisierung der unterschiedlichen Montagefälle

Im ersten Ansatz sollen die folgenden Fälle für eine Mikromontage unterschieden wer-den und exemplarisch in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen realisiert werden:

• Zuführen eines Teils von extern für einen Fügevorgang mit einem Teil, das in der Bearbeitungsmaschine hergestellt wurde

• Parken eines Teiles, das durch die Bearbeitungsmaschine hergestellt wurde im Arbeitsraum und Fügen/Montieren mit einem weiteren Teil, das ebenfalls durch die Bearbeitungsmaschine hergestellt wurde

• Teile Umspannen, Positionieren durch den Roboter für ein anschließendes stoff-schlüssiges Fügen (Laserschweißen, -löten)

• Fügen durch Montage in einer separaten Montagestation im Arbeitsraum der Be-arbeitungsmaschine; Einzelteile werden durch Bearbeitungsmaschine hergestellt