Förderprojekt ELM2 erfolgreich abgeschlossen

Entwicklung einer hochpräzisen Linear-Magnetisieranlage zum Kodieren langer magnetischer Maßstäbe (Förder-KZ: 02P21K060).

Die ITK Precisioning GmbH hat das vom BMBF geförderte Projekt ELM² zur Entwicklung einer hochpräzisen Linear-Magnetisieranlage für die Beschreibung von magnetischen Maßstäben erfolgreich abgeschlossen. Damit wurde die Grundlage geschaffen, magnetische Maßstäbe für unterschiedliche Branchen mit hoher Präzision in großen Längen (bis 5 Meter) am Stück zu realisieren. Die Applikationsmöglichkeiten derartiger Maßverkörperungen in Industrien wie der Halbleiterfertigung, Industrieautomation oder dem allgemeinen Maschinenbau werden damit deutlich erweitert.

Im Projekt ELM² sollte eine Demonstrator-Maschine entwickelt werden, mit der es möglich ist, magnetische Maßstäbe mit größerer Länge bis 5 Meter am Stück zu beschreiben. Dies bei hoher Genauigkeit und erhöhter Produktivität. Diese Demonstrator-Maschine dient gleichzeitig als Basis, um neue Teiltechnologien zu erproben − z. B. optimierte Maschinenstrukturen, Magnetisierköpfe für neue Schreibverfahren sowie eine verbesserte Maschinensteuerung. Im Anschluss an das Förderprojekt sollen die erfolgreich erprobten Technologien auf die Industrialisierung der Magnetisieranlage übertragen werden. 

Problemstellung

Magnetische Messsysteme sind in zahlreichen Industriezweigen unverzichtbar, zum Beispiel in Werkzeugmaschinen oder in Maschinen zur Halbleiterfertigung. Hier behaupten diese sich gegenüber Messsystemen auf optischer oder induktiver Basis, da sie besonders robust gegenüber den üblichen Kontaminationen durch Flüssigkeiten, Staub, Späne etc. in der Endanwendung sind. Magnetische Messsysteme bestehen aus Sensoren, die ein Muster aus Nord- und Südpolen einer Maßverkörperung nutzen, um Weg- oder Winkelinformationen zu generieren. Nur bei sehr hohen geforderten Genauigkeiten (deutlich unter 1 µm) gibt es weiterhin Anwendungen, die für bisherige magnetische Messsysteme noch nicht zugänglich sind.

Die aktuellen Markttrends führen zu immer höheren Anforderungen an die verwendeten Messsysteme. In vielen Anwendungsbereichen für magnetische Messsysteme werden dabei Maßstäbe mit einer Länge von mehreren Metern benötigt. So zum Beispiel im Bereich der Halbleiterfertigung, wo der Trend zu größeren Wafer-Durchmessern mit z. B. 300 mm (12“) oder sogar 450 mm (18“), was in deutlich längeren Verfahrwegen der Inspektions- und Prüfmaschinen umgesetzt werden muss. Ähnliches gilt bei optischen 3D- Messmaschinen in der konventionellen Teilefertigung, wo die Oberflächen und Abmessungen von immer größeren Werkstücken mit geprüft werden sollen. Dieser Trend geht Hand in Hand mit Forderungen nach höherer Genauigkeit. Teilweise ist dies ein Resultat von Anforderungen aus der End-Applikation, aber auch vom Wunsch mehrerer Anwender nach magnetischen Wegmesssystemen als eine Alternative zu optischen Wegmesssystemen. Des Weiteren besteht die Anforderung die höhere Robustheit und bessere Wirtschaftlichkeit von magnetischen Systemen mit der hohen Genauigkeit von optischen Systemen zu kombinieren. Last, but not least streben Hersteller von magnetischen Wegmesssystemen stets eine höhere Produktivität ihrer Anlagen an.

Mit der aktuellen Generation an Magnetisieranlagen ist diese komplexe Kombination an Anforderungen jedoch nicht realisierbar. Um die o.g. Bedürfnisse zu erfüllen, bedarf es der Entwicklung von neuartigen Anlagen mit deutlich gesteigerter Schreiblänge bei gleichzeitig verbesserter Genauigkeit und erhöhter Produktivität.

Zielsetzung

Um diese Herausforderung zu lösen, war das Ziel des KMU-innovativ-Projektes ELM² die Entwicklung eines Konzepts für Magnetisieranlagen zur Herstellung von magnetischen Maßstäben mit einer Schreiblänge von bis zu 5 Metern am Stück. Mit diesem Ansatz soll die effiziente Herstellung von hochgenauen Maßverkörperungen realisiert werden. Dieses erarbeitete Konzept sollte in einer Demonstratoranlage umgesetzt werden.

Neuheiten des Lösungsansatzes

Im Projekt ELM² sindzum Stand der Technik Neuentwicklungen in vier Teilbereichen entstanden:

1. Für die schnelle und gleichzeitig genaue Kodierung von sehr langen Maßstäben am Stück (bis 5 Metern Länge) wird eine thermisch besonders stabile und auch mechanisch steife Maschinenkonstruktion benötigt. Auf Basis von FEM-Simulationen wurden neue Achs-Anordnungen und Maschinenstrukturen untersucht und Leichtbau-Werkstoffe und bionisch inspirierte Formen betrachtet und im Design umgesetzt.  
2. Die verwendete Direktantriebstechnik, beruhend auf patentierter Technologie von ITK, hat in Verbindung mit den o.g. Leichtbau-Strukturelementen zu einer Erhöhung der Maschinendynamik geführt, welche zur Optimierung des Herstellungsprozesses genutzt wurde.
3. Eine weitere Produktivitätssteigerung konnte erreicht werden, da das Schreibverfahren für den Impulsschreibprozess nun kontinuierlich erfolgt, d.h. die Pole werden während der Maschinenbewegung geschrieben statt in Start-Stopp-Betrieb. Durch die Integration von Magnetisierung, magnetischer Messung und Oberflächenmessung an einer „Brücke“ können Auffälligkeiten direkt nach der Magnetisierung lokalisiert und bewertet werden. Beide Modifikationen am Verfahrensablauf wurden durch die Weiterentwicklung der Steuerungssoftware für die Anlage ermöglicht.
4. Weiterentwickelte Impuls- und Induktions-Magnetisierverfahren wurden etabliert, um deutlich höhere Maßstabsgenauigkeiten zu ermöglichen.

Die Ergebnisse des Projektes ELM² tragen dazu bei, dass bei der ITK Precisioning GmbH zwei wichtige Anwendungsbereiche für die produzierende Industrie erschlossen werden:

• Zum einen können damit Positioniersysteme (SensePrecisioner) für Scanning-Plattformen mit größeren Verfahrwegen hergestellt werden. Dies stellt einen wesentlichen Wettbewerbsvorteil dar, weil mit derartigen Positioniersystemen die wirtschaftliche Herstellung und Prüfung von Bauteilen mit großen Abmessungen beispielsweise für die Halbleiterindustrie ermöglicht wird.
• Zum anderen können Herstellern von Wegmesssystemen Magnetisieranlagen (PolePrecisioner) für die Industrieautomatisierung angeboten werden. Diese Hersteller können damit ihre eigene Produktpalette erweitern oder ergänzen.

ITK Precisioning GmbH bedankt sich beim BMBF für die freundliche Unterstützung bei der Umsetzung des ELM²-Projektes mit dem Förderkennzeichen: 02P21K060.

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