Freiheitsgrade und Lagerungsarten Gelenke in der Mikrotechnik Problem: In der Mikrotechnik sind echte Gelenklager und Schiebelager technisch zwar machbar, aber ... die Herstellung ist kompliziert, die Lebensdauer ist u.U. begrenzt, die Belastbarkeit ist eingeschränkt. Lösungsstrategien für bewegliche Mikrostrukturen „Festkörpergelenke“, d.h. integrierte Federstrukturen zur Nachahmung einer kinematischen Gelenkfunktion, „Compliant structures“, d.h. monolithische Mikrostrukturen mit gezieltem Verformungsverhalten der gesamten Struktur.

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Vor- und Nachteile von Festkörpergelenken und Compliant Structures Nachteile (im Vergleich zu einem idealen Gelenk) Es wird immer auch ein Moment bzw. eine Rückstellkraft übertragen. Es treten zusätzliche Störeffekte auf (z.B. Eigenresonanzen). Die erzielbaren Verformungen bzw. Bewegungen sind in der Regel gering. Materialermüdung begrenzt die Lebensdauer und verändert die Eigenschaften. Aus manchen Nachteilen werden aber in der Mikrotechnik... Vorteile Es tritt keine Gelenkreibung und kein Verhaken (stiction) auf. Es tritt kein Lagerspiel auf, d.h. die Positioniergenauigkeit ist extrem hoch (nm-Bereich). Per Design ist hohe Festigkeit und Belastbarkeit erreichbar. Rückstellkräfte und -momente sind oft explizit gewünscht und auch per Design genau einstellbar. Die Fertigung ist relativ einfach.

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Designprinzipien für kinematische Lagerungen in der Mikrotechnik Designziel: „Lasse bestimmte Freiheitsgrade definiert zu und verhindere alle anderen möglichst gut !“ Designparameter hierfür sind... Anordnung, Geometrie , Materialeigenschaften. Konstruktionsprinzipien Prinzip der Symmetrie (symmetrische Anordnung von Federn zur Erhöhung der Kippsteifigkeit,...) Prinzip der abgestimmten Verformung (Compliant structures, Federgeometrie,...) Prinzip der Arbeitsteilung (Materialwahl, Materialmix,...) Prinzip der direkten Kraftleitung (geeignete Anordnung von Kraftlinien und Funktionselementen,...) Prinzip des Kraftausgleiches (intrinsische Kompensation gegenläufiger Kräfte,...)

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Rotatorische Mikro-Gleitlager Prinzip: entspricht einem konventionellen Gleitlager mit Rotor und Stator Technologien: Oberflächen-Mikromechanik, LIGA Vorteile echte Rotationsbewegung möglich, reibungsarm per Design und Oberflächenbeschichtung, kann monolithisch erzeugt werden. Nachteile sehr komplexe Herstellungsverfahren, kurze Lebensdauer bei zu hohem Lagerspiel und ungünstigen Materialien (Versagen durch Abrieb und mechanisches Schlagen). Sandia NL, Albuquerquee, New Mexico

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Translatorische Mikro-Gleitlager Prinzip: entspricht einem konventionellen Linear-Gleitlager Technologien: Oberflächen-Mikromechanik Vorteile „weite“ Linearbewegung möglich, kann monolithisch erzeugt werden. Nachteile sehr komplexe Herstellungsverfahren, u.U. Verkanten und Verhaken durch zu hohes Lagerspiel bzw. zu hohe Reibung. Sandia NL, Albuquerquee, New Mexico

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Mikro-Gelenklager Prinzip: entspricht in etwa einem konventionellen Gelenk („Scharnier“) Technologien: Oberflächen-Mikromechanik Vorteile ermöglicht einen weiten Drehwinkel nimmt nur ein geringes Moment auf Nachteile komplexe Technologie, Lagerspiel, möglicherweise „Klemmen“ Sandia NL, Albuquerquee, New Mexico

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Festkörpergelenk („hinge“) Prinzip: Biegebalken ermöglicht definierte lokale Verformung (analog zu einem Filmscharnier) Technologien: viele Vorteile einfach „per Design“ integrierbar, hochreproduzierbare Bewegung, lange Lebensdauer. Nachteile in der Regel nur geringe Verformungen möglich u.U. zusätzlicher Platzbedarf Mikrogreifer (TU Illmenau)

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Torsions-Drehgelenk („torsion hinge“) Prinzip: Torsionsbalken ermöglicht definierte lokale Verformung Technologien: viele Vorteile einfach „per Design“ integrierbar, hochreproduzierbare Bewegung, lange Lebensdauer. Nachteile Zusätzliche Biegeverformungen sind nicht auszuschließen. In der Regel sind nur geringe Verformungen möglich. Digital Mirror Device, Texas Instruments

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Drehlagerungen Funktionsprinzip: Mehrere gleichverteilte Biegebalken greifen am Umfang oder im Zentrum eines Rotationskörpers an Technologien: viele Vorteile einfach „per Design“ integrierbar, hochreproduzierbare Bewegung, lange Lebensdauer. Nachteile in der Regel nur geringe Drehwinkel möglich u.U. zusätzlicher Platzbedarf. Gyroskope Bosch (oben) Berkeley (unten)

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Designprinzip der Drehlagerung Die Längsachsen der Balkenfedern verlaufen immer durch den Schwerpunkt des Drehkörpers (Dadurch schneiden sich die Wirkungslinien der retardierenden Längskräfte wiederum in einem Punkt). Ergebnis ist eine kontrollierte Rotation ohne seitliche Translation. Balkenfeder Gyroskop (Berkeley)

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Linearlagerungen Funktionsprinzip: Mehrere parallele Biegebalken greifen senk- recht zur gewünschten Bewegungsrichtung am verschiebbaren Körper an. Technologien: LIGA, Oberflächen- und Bulk-Mikromechanik Vorteile einfach „per Design“ integrierbar, hochreproduzierbare Bewegung, große Verformungen möglich, lange Lebensdauer. Nachteile zusätzlicher Platzbedarf variabler Mikroschlitz mit motori- schem Antrieb (Agilent, vormals HP) Mikro-Gasventil mit elektrostatischem Antrieb (IMS München und Hoerbiger Origa, Schongau)

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Designprinzipien der Linearlagerung Die Längsachsen der Balkenfedern verlaufen senkrecht zur Bewegungsrichtung. Die Federn greifen symmetrisch und möglichst weit außen am Schiebeelement an (Kippsicherung). Gegebenenfalls werden die Federn mechanisch gekoppelt (gleichfalls zur Kippsicherung). Das Ergebnis ist... ...eine definierte Linearbewegung mit minimalem seitlichem Ausbrechen. Bewegungsrichtung Federachse Federkopplung

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Compliant Structures Im Unterschied zu Komponenten mit integrierten Gelenken wird bei einer Compliant Structure das Verformungsverhalten des gesamten Mikroelementes genutzt. Das Design muß natürlich entspre- chend ausgelegt werden. Beispiel: Mikrogreifer mit Shape-Memory-Aktuation

Freiheitsgrade und Lagerungsarten Präzisions-Linearlager mit Festkörpergelenken Nicht nur in der Mikrotechnik, auch in der Feinmechanik wird die hohe Präzision von Festkörpergelenken genutzt. Beispiel: Nanopositioniertische mit piezoelektrischem Antrieb (Physik Instrumente, Waldbronn) Die typische Positioniergenauigkeit beträgt beim gezeigten Tisch einige Nanometer ! Piezoaktor 2D-Festkörpergelenk Nano 780 (PI) Herstellung mittels Drahterosion