Tele-operierte Mikromontage von Nanoaktoren

Tele-operierte Mikromontage von Nanoaktoren

Die Montagepräzision einer Baugruppe ist entscheidend für die erreichbare Präzision eines Produktes.. Je geringer die Abweichungen der montierten Bauteile sind, desto besser ist die erreichbare Genauigkeitsklasse für das Endprodukt. Bei Produkten, die für die Mikro- oder Nanotechnologie bestimmt sind, sollte die Montagegenauigkeit mindestens eine, besser zwei Größenordnungen höher sein. Aber wie soll man unförmige oder schwierig zu greifende Objekte mit einer solchen Genauigkeit montieren? In der manuellen Fertigung ist eine Montagepräzision von wenigen Mikrometern nur durch langes Training erreichbar und nicht dauerhaft abrufbar.

Wenn eine solche Montage neu ist, wenig Erfahrung in dem Bereich besteht oder nur selten durchgeführt werden muss, ist ein unterstützendes System besonders hilfreich. Die Montage von Nanoaktoren soll hier als Beispiel herangezogen werden. Für extrem präzise Bewegungen werden schon seit geraumer Zeit Piezoantriebe in den verschiedensten Ausführungen verwendet. Eine solche Ausführung ist der Kugelaktor, bei dem eine Stahlkugel von einem piezoelektrischen Motorsegment angetrieben wird. Drei solcher Aktoren bilden die Grundlage, um entweder auf einem beliebigen Untergrund zu fahren oder eine auf ihnen liegende Platte zu bewegen. Jedes Motorsegment besteht aus einem piezokeramischen Grundkörper, der mittels Laser strukturiert wird, drei Rubinhalbkugeln und einem Haltemagnet für die Stahlkugel.

Auf die strukturierte Piezokeramik werden die Rubinhalbkugeln so aufgeklebt, dass eine Halbkugel auf einem dreiteiligen Elektrodenpaket zu liegen kommt. Diese haben einen gemeinsamen Außendurchmesser von 1mm – ebenso groß ist auch die Rubinhalbkugel. Letztere wird so aufgeklebt, dass möglichst kein Klebstoff zwischen die Elektroden läuft, der die Motorleistung negativ beeinflussen würde. Diese Teile wurden bisher manuell unter einem Mikroskop montiert. Dabei sind das Aufbringen des Klebstoffs und die Positionierung der Rubinhalbkugeln die kritischen Arbeitsschritte.

Die Montage kann auf der MiCROW-Pro tele-operiert durchgeführt werden, wie auf dem Video zu sehen ist. Die Videobilder sind die Originalaufnahmen, wie sie auch in der MiCROW Control Application zu sehen sind. Das Übersichtsbild der Mikroskopoptik wird links und rechts von den Werkzeugansichten flankiert. Links ist die Rückansicht des Vakuumgreifers und rechts des Dispensers zu sehen.

Der Klebstoff wird von einem Dispenser mit Zeit-Druck-Steuerung und einer Kanüle mit 0,21 mm Innendurchmesser aufgebracht. Der Druckstoß wird über einen Tastendruck auf dem Gamepad getriggert. Die Zeitdauer kann auf die Millisekunde genau im Bereich von 10 bis 100 ms eingestellt werden. Da die Kanüle leicht geneigt ist, kann die Spitze im Kamerabild nachverfolgt werden.

Nachdem alle Elektroden benetzt sind, werden die Rubinhalbkugeln aufgelegt. Dazu werden sie mit dem Vakuumgreifer aufgenommen und in den Klebstoff auf den Elektroden gedrückt. Durch das Auflegen der Rubinhalbkugeln wird der Klebstoff gleichmäßig verteilt. Nach dem Aushärten entsteht so eine definierte Klebstoffschicht, die es dem Aktor ermöglicht, definierte Bewegungen mit Nanometerpräzision auszuführen.

Die kritischen Montageschritte konnten für den Bediener vereinfacht werden, indem die Montage jederzeit unterbrochen oder angehalten werden kann. Die Bewegungsgeschwindigkeit kann variiert werden und unterstützt so den Arbeitsfluss und die Positioniergenauigkeit der tele-operierten Montage, da bei einer langsameren Bewegung präziser positioniert werden kann. Zusätzlich kann der Montageprozess gleichzeitig durch Bilder und Videos dokumentiert werden.