Positionier-Lösungen Piezostelltechnik in unterschiedlichen Integrationsstufen

Redakteur: Wolfgang Leppert

In der Automatisierung ist Gefühl gefragt, wenn fein justiert, also mit hoher Auflösung positioniert werden muss — oft auch noch mit hoher Dynamik oder Kraft. Piezobasierte Positioniersysteme

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In der Automatisierung ist Gefühl gefragt, wenn fein justiert, also mit hoher Auflösung positioniert werden muss — oft auch noch mit hoher Dynamik oder Kraft. Piezobasierte Positioniersysteme bieten hierfür ideale Voraussetzungen.

Anwendungen, die dies erfodern, sind beispielsweise Spaltbreiten-Einstellungen, das Cavity-Tuning in der Laseroptik sowie das Microscanning für Imagingverfahren. Dazu gehören weiterhin Dispenser, Ventile für die Mikrodosierung, Pumpen in Medizintechnik und Biotechnologie sowie die Krafterzeugung in der Adaptonik oder bei Imprint-Verfahren. Wer hier einen höheren Integrationsaufwand nicht scheut oder aus technischen bzw. finanziellen Gründen lieber zu OEM-Produkten greift, kann heute selbst bei anspruchsvollen Positionieraufgaben die Investitionskosten vergleichsweise niedrig halten.

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So bietet etwa Physik Instrumente aus Karlsruhe jetzt gleich mehrere Hebelaktoren der PiezoMove-Serie an, die im Produktprogramm die Integrationsstufe zwischen vorgespannten Stapelaktoren (Auslenkung bis etwa 100 µm) und kompletten, mehrachsigen Stelltischen abdecken. Bei den Hebelaktoren sind die Piezoaktoren mechanisch in Festkörpergelenke eingebunden. Das verbessert die Führungsgenauigkeit und ein Verkippen oder seitlicher Versatz sind nicht zu befürchten. Gleichzeitig übersetzen die Festkörpergelenke die Auslenkung des Piezos in größere Stellwege. Im Gegensatz zu Nanopositioniersystemen bauen Hebelaktoren sehr klein und lassen sich dadurch gut integrieren. Jedoch sind ihnen genau diesen Platzgründen bei der Auswahl der Sensoren und der Umsetzung parallelkinematischer mehrachsiger Lösungen Grenzen gesetzt.

Starke Typen lassen keine Wünsche offen

Die Hebelaktoren der PiezoMove-Serie decken in drei Bauvarianten unterschiedliche Anwenderwünsche ab. Hebelaktoren vom Typ P-601 haben Stellwege bis 400 μm und eine hohe Positioniergenauigkeit bei sehr kompakten Abmessungen. Die P-602-Hebelaktoren arbeiten mit großen Stellwegen bis 1 mm. Da das Design äußerst flexibel ist, können hier zur Erhöhung der Steifigkeit und damit zur größeren Krafterzeugung Multilayer-Aktoren mit einer Grundfläche von zehn auf zehn mm eingesetzt werden. Die Hebelaktoren vom Typ P-603 schließlich erreichen Stellwege bis 500 µm und sind für eine besonders kostenoptimierte Herstellung in großen Stückzahlen ausgelegt.

Aufgrund der Ansprechzeiten von wenigen Millisekunden und der Auflösung im Sub-Nanometerbereich eignen sie alle Baureihen sowohl für statische als auch dynamische Anwendungen. Die ebenfalls bei allen Varianten zur Positionserfassung optional einsetzbaren Dehnmessstreifen-Sensoren (DMS) haben eine thermisch driftfreie Vollbrückenschaltung für optimale Temperaturstabilität. Dadurch wird eine Linearität von 99,8 Prozent erreicht. Neben den Standardmodellen aus Stahl sind auf Anfrage auch Ausführungen aus Invar sowie nicht-magnetische Versionen lieferbar — und natürlich gibt es die passenden für den OEM-Einsatz konzipierten Verstärkerelektroniken und Motion-Controller, was die Kosten des Gesamtsystems niedrig hält.

Treibende Kraft der Hebelaktoren sind PICMA-Multilayeraktoren von PI Ceramic, einem Tochterunternehmen von PI. Sie sind nicht wie sonst üblich polymerisoliert, sondern vollkeramisch ummantelt. Das schützt sie vor Luftfeuchtigkeit und Ausfällen durch erhöhten Leckstrom. Dadurch sind sie deutlich zuverlässiger und langlebiger als konventionelle Piezoaktoren. Die zuverlässigen Multilayer werden auch in den kompletten Nanopositioniersystemen des gleichen Herstellers eingesetzt. Dass diese oft zu Unrecht als teuer gelten, beweisen etwa die kompakten Stelltische der Serie P-713 bzw. P-714. Sie werden heute in großen Stückzahlen und entsprechend kostengünstig für Biometrie, Medizintechnik und Bildverarbeitung produziert.

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