Monolithische Hochpräzisions-Kinematiken

Ohne Spiel, Stick-slip, Reibung oder Verschleiß

Dipl.-Ing. Klaus Vollrath, CH-4912 Aarwangen

Die Kinematik klassischer mechanischer Systeme besteht meist aus Standardelementen wie Stäben, Drehgelenken, Hebeln, Lagern, linearen Führungen, Zahnrädern usw. Für den Konstrukteur hat dies den Vorteil, dass er auf einen standardisierten Baukasten zugreifen kann, mit dessen Hilfe die meisten Einsatzfälle ohne größere Probleme gelöst werden können. Nachteil solcher Elemente ist jedoch die Tatsache, dass ihre Schnittstellen zugleich auch Schwachstellen sind. Hier treten unerwünschte Phänomene wie Lagerspiel, Reibung, Verschleiß und Ermüdung auf, unter denen Präzision und Lebensdauer leiden. Insbesondere bei Hochpräzisionsanforderungen kann es daher Sinn machen, alternativ monolithische Konstruktionen mit nachgiebigen Gelenken ins Auge zu fassen. Der folgende Artikel basiert auf einem entsprechenden Vortrag von Prof. Simon Henein bei der Schweizerischen Stiftung für mikrotechnische Forschung (FSRM) in Neuchatel.

„Mit dem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung müssen immer mehr Funktionen in immer kleinerem Bauraum konzentriert wer­ den, bei zugleich steigenden Präzisionsanforderungen“, erläutert Prof. Simon Henein vom Institut für Mikro­Engineering (IMT) der École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Hierbei stoßen die herkömmlichen, auf der Verwendung von Gelenken und Gleitelementen als Verbindungselemente von Balken, Blattfedern und Stäben basierenden Lösungen an ihre Grenzen. Wichtiger Grund hierfür ist die Tatsache, dass sich Lager­ spiele und Hysteresen selbst bei sorgfältigster Ausführung nicht auf Null reduzieren lassen. Damit sind Nachteile wie Reibung, Stick-slip, Hysteresen, Fressen und Verschleiß sowie die Notwendigkeit zu Nachjustierungen oft unvermeidbar. Zudem macht dies die Mechanismen empfindlich gegenüber dem Eindringen von Staub, Schmutzpartikeln oder Korrosion. Insbesondere beim Einsatz in extremen Umgebungen wie der Luft­ und Raumfahrt, im Vakuum oder in kryogener Umgebung kann sich dies als erhebliches Handicap erweisen. Abhilfe verspricht ein alternativer Ansatz zur Konstruktion von Kinematiken, der sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet: Bewegungsauflösungen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern bei Hublängen bis zu mehr als einem Zentimeter (bzw. ± 15 ° bei rotativen Bewegungen), hohe Quersteifigkeit, keinerlei Reibung und keinerlei Spiel und damit auch keinerlei Abrieb. Zudem sind diese Konstruktionen außerordentlich robust. Die Genauigkeit ist hervorragend, und es tritt auch bei langem Einsatz praktisch keine Drift der Eigenschaften auf. Einsatzbereiche sind beispielsweise die Robotik, die Luft­ und Raumfahrt, terrestrische Systeme für die Astronomie sowie Konstruktionen für die Medizintechnik, die Elektronenmikroskopie oder die Uhrenindustrie.

Monolithischer Aufbau

Besonderheit dieser Kinematiken ist ihr monolithischer Aufbau, d.h. dass die Grundstrukturen aus einem einzigen Block herausgearbeitet werden. Die Verbindung der einzelnen mechanischen Komponenten untereinander erfolgt aus­ schließlich über schmale und damit flexible Stege. Diese Stege ermöglichen die Realisierung der gleichen Funktionen, die bei „klassischen“ mechanischen Konstruktionen von Drehachsen bzw. Drehgelenken oder auch von Linearführungen übernommen werden. Durch geschickte Anordnung und Dimensionierung können zudem Charakteristiken wie Übersetzungsverhältnisse oder Steifigkeiten definiert werden. Die Realisierung erfolgt bei Metallen meist mithilfe der Drahterosion, die es gestattet, selbst dicke Platten mit großer Präzision zu bearbeiten. Damit lassen sich selbst sehr geringe Stegbreiten bis herab zu lediglich 30 μm bei Aspektverhältnissen (Verhältnis von Breite zu Höhe) von bis zu 60 erzielen. Mit solchen sehr schmalen und zugleich hohen Stegen lässt sich eine hervorragende Flexibilität bei zugleich hoher Quersteifigkeit der Strukturen erreichen. Bei bestimmten Anwendungen wird auch mit Silicium gearbeitet. Hier kommen statt der Drahterosion dann Lithografie­ und Ätztechniken zum Einsatz. Ergänzend sei angemerkt, dass solche Strukturen zwar häufig nur in einer Ebene realisiert werden, es aber durchaus möglich ist, eine solche Bearbeitung durch Drahterosion auch zwei­ dimensional durchzuführen und so entsprechend mehr Freiheitsgrade zu erzielen. Zudem lassen sich einzelne lineare Achssysteme auch mehrdimensional kombinieren und auf diese Weise beispielsweise auch dreiachsige Roboter realisieren.

Besondere Konstruktionsregeln

Für die Auslegung solcher Konstruktionen ist eine Reihe von Besonderheiten zu beachten. Dazu gehört auch, dass die Verknüpfung der einzelnen mechanischen Elemente über flexible Stege komplexere Bewegungsabläufe bedingt als die vergleichsweise einfacher zu beherrschenden klassischen Konstruktionen. Neben der beabsichtigten Bewegung treten daher meist zusätzlich auch unerwünschte sogenannte parasitäre Ortsveränderungen auf. Diese müssen gegebenenfalls er­ mittelt und durch geeignete Abhilfemaßnahmen auf ein noch tolerier­ bares Maß begrenzt werden. Das erhöht den konstruktiven Aufwand. Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt ist die Berücksichtigung der dynamischen Festigkeit im Bereich der – im Fall von Metallen durch Funkenerosion er­ zeugten – schmalen Stege, da aufgrund der Funkenerosion eine dünne oberflächennahe Schicht geschädigt wird, was die Dauerfestigkeit beeinträchtigen kann. Von Interesse sind darüber hinaus auch Regeln zur Beeinflussung der Steifigkeit der Konstruktion. Dadurch lässt sich beispielsweise erreichen, dass Rückstellkräfte entweder in Richtung einer Ruheposition wirken, über den gesamten Verstellweg mehr oder weniger ausgeglichen sind oder gar bistabiles Verhalten mit zwei Endlagen auftritt. Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft das Schwingungsverhalten der Gesamtkonstruktion bei starker mechanischer Anregung, beispielsweise beim Start von Systemen, die für den Einsatz in Satelliten vorgesehen sind.

Klaus Vollrath

Literatur: Henein, S.: Conception des guidages flexibles. ISBN 978­2­88074­481­4