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Kleinstantriebe sind energieeffizient und haben konstruktionsbedingt meist einen hohen Wirkungsgrad

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MikroantriebstechnikKlein ist schick

Die Mikroantriebstechnik boomt. Kleinstantriebe sind energieeffizient und haben konstruktionsbedingt meist einen hohen Wirkungsgrad. Mit Anwendungen in der Raumfahrt oder der Medizintechnik machen die Hersteller wirkungsvoll auf die Leistungsfähigkeit ihrer Hightech-Winzlinge aufmerksam. Unser Redakteur Johannes Gillar fand bei seinen Recherchen heraus, dass die Miniaturmotoren aber auch im industriellen Bereich eingesetzt werden, etwa in der Verpackungsindustrie oder der Kleinteilemontage.

Mikroantriebstechnik: Klein ist schick

Zehn Jahre ist es her, dass die europäische Raumsonde Rosetta von der ESA auf die Reise zum Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko – kurz Tschury – geschickt worden ist. Ende Mai erreichte die Sonde den Himmelskörper, um diesen nun zu umkreisen, zu kartographieren und verschiedene Daten zu sammeln. Und schon die ersten Bilder liefern erstaunliche Erkenntnisse: Der vier Kilometer große Tschury ist nicht etwa rund oder oval, sondern sieht aus wie eine überdimensionale Kartoffel. Auch die Oberfläche des Kometen ist mit minus 70 Grad Celsius viel wärmer als erwartet und laut ersten Informationen von einer schwarzen Staubschicht bedeckt. Am 12. November landete der Lander Philae schließlich auf dem Kometen. Diese Landung ist ein Meilenstein für die Weltaumorganisation ESA, denn zum ersten Mal in der Geschichte der Raumfahrt trifft eine Sonde auf einen Kometen – Captain Kirk lässt grüßen.

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Eine der größten Herausforderungen bei der Landung ist die geringe Schwerkraft auf 67P. Zwar besteht kein Problem, dass die Landeeinheit bei der Landung zerschellt, da diese auf dem Kometen nur wenige Gramm wiegt. Aber es gilt es zu verhindern, dass Philae nicht wieder vom Kometen abprallt. Um auf der Oberfläche Halt zu finden und diesen Halt während der gesamten Dauer der Mission sicherzustellen, wurde ein spezielles Ankersystem entwickelt. Unmittelbar nach Bodenkontakt bei der Landung werden zwei Harpunen per Treibladung abgeschossen und zurren den Lander über zwei Seilwinden auf der Kometenoberfläche fest, angetrieben von je einem bürstenlosen DC-Motor des Schönaicher Antriebstechnikspezialisten Faulhaber, der für den Einsatz im Weltraum modifiziert wurde.

Auch gesamttechnisch betrachtet ist Philae ein Meilenstein, ist das Fluggerät doch vollgestopft mit Systemen, um die Beschaffenheit und Zusammensetzung der Kometenoberfläche genau zu untersuchen und so wertvolle Kenntnisse über die Entstehung und Geschichte unseres Sonnensystems zu erlangen. Viele dieser Systeme werden von Kleinst- und Mikroantrieben deutscher und Schweizer Hersteller angetrieben. So arbeiten DC-Motoren von Faulhaber auch in den Instrumenten und Versuchsanlagen des Landegeräts. Und auch ein DC-Motor des Wettbewerbers Maxon Motor aus dem Schweizerischen Sachseln ist mit an Bord. Die Schweizer sind bereits ein „Veteran“ in Sachen Mikro-Antriebe bei Weltraum-Missionen. Auch im Frachtraumschiff Dragon von Space X, das Material zur ISS-Station bringt, befinden sich Motoren der Eidgenossen, ebenso in den Mars-Rovern, die seit Jahren den roten Planeten erkunden.

Solche Anwendungen in der Raumfahrt, aber auch in der Medizintechnik, führen seit einigen Jahren zu einem regelrechten Boom der Mikroantriebstechnik. Laut einer Studie von Frost & Sullivan (http://www.motors.frost.com) erwirtschaftete der Europamarkt für elektrische Mikroantriebe im Jahr 2012 einen Umsatz von 516,8 Millionen US-Dollar und wird voraussichtlich auf 637,1 Millionen US-Dollar bis zum Jahr 2016 anwachsen. Die Studie berücksichtigt elektrische Mikroantriebe auf Drehstrom-, Gleichstrom- und Servobasis. Neben Hightech-Anwendungen treiben den Marktforschern zufolge insbesondere die ständige Weiterentwicklung von Rechtsvorschriften im Energiebereich und die erforderlichen Regulierungen hinsichtlich Energiekosten und Effizienzsteigerung die Verbreitung von elektrischen Mikroantrieben voran. Diese Trends verstärken sich durch technologische Veränderungen und Fortschritte in der Netzwerkfähigkeit der elektrischen Mikroantriebe.

„Um den Stromverbrauch der Motoren einzuschränken, investieren Hersteller in leistungsoptimierte Geräte wie etwa Antriebe mit drehzahlvariabler Frequenz“, stellt Frost & Sullivan Research Analyst Raaj Thilak Raveendran fest. Technologische Fortschritte bei Mikroprozessoren und IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor) haben elektrische Antriebe kompakter und anwendungsfreundlicher gemacht, was immer mehr OEMs dazu ermutigt, elektrische Antriebe in ihren Maschinen einzusetzen. Dank der sich weiterentwickelnden Halbleitertechnologie seien zudem Elektroantriebe mit hoher Temperaturtoleranz verfügbar, die sich direkt an die Motoren montieren lassen. „Die meisten Hersteller elektrischer Mikroantriebe bieten den OEMs jetzt Paketlösungen, die den Bedarf an Schaltschränken, komplexen Verkabelungen und Platz reduzieren“, erklärt Raveendran. „OEMs bevorzugen das Konzept eines integrierten Motorantriebs, da es für niedrigere Kosten und kürzere Projektplanungszeiten sorgt.“

Prof. Dr. Armin Dietz

Auch die Wissenschaft sieht Klein- bzw. Mikroantriebe auf dem Vormarsch. Themen wie Dezentralisierung, integrierte Lösungen und Energieeffizienz treiben die Entwicklung voran. „Die obige Reihenfolge legt bereits die Wichtigkeit oder Rangfolge festlegt. Die Antriebe werden „intelligenter“ werden und mehr Funktionalität übernehmen“, betont Prof. Dr. Armin Dietz, Leiter des Instituts für leistungselektronische Systeme – Elsys, an der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm. Insbesondere Selbstdiagnose und Schutzfunktionen würden in die Antriebsfunktionen integriert werden, ebenso werde die „Connectivity“ zunehmen und die leichtere Einbettung in „Industrie 4.0“ ermöglichen. Zudem, so der Professor weiter, erlaubt „die Weiterentwicklung und Miniaturisierung der Elektronik die Integration der Steuerung und der Leistungselektronik in den Antrieb“.

Olaf Kämmerling, Vertriebsleiter bei Koco Motion in Dauchingen, kann das Potenzial des Mikroantriebstechnik-Markts nur bestätigen: „Der Markt wächst, weil man immer mehr Funktionen etwa in Gebrauchsgegenständen, Geräten, Maschinen und Automobilen mit Elektromotoren der verschiedenen Konstruktionsarten ausführt.“ Trends in diesem Bereich sieht er vor allem in der Dezentralisierung, weil dadurch viel Mechanik entfallen kann, sowie in integrierten Lösungen. „Diese werden sich aufgrund des immer höheren Integrationsgrads der Elektronik, der geringeren EMV-Probleme und der höheren Prozesssicherheit weiter durchsetzen“, ist Kämmerling überzeugt. Ebenfalls wichtig bei der Entwicklung von Klein- und Mikroantrieben sei es, auf einen hohen Wirkungsgrad zu achten, denn viele dieser Miniaturantriebe werden in batteriebetriebenen Geräten eingesetzt.

Aus dem Bereich der hochpräzisen Positionierung bewertet Dr. Rainer Gloess, Leiter Advanced Mechatronics bei Physik Instrumente (PI) in Karlsruhe, die Dezentralisierung in diesem Zusammenhang sogar als eine Kerntechnologie, denn sie bedinge Vernetzung „und von daher könnte man auch sagen, sie ist gleichzusetzen mit der Vernetzung von Antrieben“. Darüber hinaus sieht er das Thema Packaging als einen ganz wichtigen Bereich für die Entwicklung von Miniaturantrieben. Im stark wachsenden Handling-Markt, also der Kleinverpackungsindustrie, dem Handling von Miniaturteilen oder der Vormontage von Sondermaschinen baue man zunehmend kleine, dezentrale Antriebe ein. „Ich sehe die Entwicklung für Kleinst- und Mikroantriebe in diesem Bereich sehr optimistisch“, ist er überzeugt. Zum Einsatz kommen die Kleinstantriebe bei Physik Instrumente aber nicht nur für Aufgaben in der Raumfahrt, der Astronomie oder der Medizintechnik, sondern auch für ganz normale industrielle Anwendungen. Gloess nennt ein Beispiel: „In unseren hochpräzisen Positioniersystemen bieten wir Mikro- bzw. Miniaturantriebe an, die insbesondere dazu geeignet sind, eine hohe Präzision bis in den Nanometer-Bereich zu erreichen. Es geht meist nicht um sehr hohe Dynamik, sondern um hohe Präzision.“ Unter anderem kämen für kleine parallelkinematische Hexapoden sehr kleine Brushless-Motoren zum Einsatz, die speziell für PI von einem führenden Hersteller gefertigt würden. Diese Antriebe haben eine platzsparende Bauweise, da die Miniaturspindel durch den Antrieb geführt ist. Die Systeme werden bei PI mit Pulsweiten-Modulation-Treibern, also mit 3-Phasen-Treibern, kombiniert und mit hochauflösenden Encodern ausgestattet. Diese laut Gloess nicht ohne weiteres auf dem Markt erhältlichen Encoder erzielen eine Auflösung von mehr als 100.000 Inkrementen pro Umdrehung. „Wir erreichen mit solchen Antrieben eine Auflösung bis unter 10 Nanometer. Und auch die Interpolation der Encoder ist in diesem System enthalten, außerdem bieten wir eine digitale Schnittstelle zum Controller. Es handelt sich hierbei um ein wirklich mechatronisches System – sehr klein, die Leistung dieses Aktors liegt bei mindestens 100 N Ausgangskraft. Das Hexapod-System, in dessen kurzen Beinen die Antriebe eingesetzt werden, wird bei PI in ansehnlichen Stückzahlen weltweit vermarktet“, so der Ingenieur.

Mikroantriebstechnik: Klein ist schick

Ein weiteres Beispiel für Miniaturantriebe sind Piezomotoren. Dazu Gloess: „Wir fertigen im eigenen Haus beispielsweise Ultraschall-Piezomotoren. Diese arbeiten mit typischen nicht hörbaren Frequenzen von 100 bis 200 Kilohertz, je nach Größe und Design.“ Der Vorteil dieser Lösung sei, dass kein Getriebe erforderlich ist und extrem schnelle Zeitkonstanten deutlich unter einer Millisekunde möglich sind. „Damit sind maximale Geschwindigkeiten von bis zu 500 mm/s möglich, steuerbar sind aber auch 100 Nanometer pro Sekunde. Das ist ein sehr großer Dynamikbereich“, betont der Experte. Einsatzgebiete für diese Piezomotoren sind etwa Präzisionstheodoliten von Leica Geosystems oder Bestrahlungssysteme für die Medizin. „Neben der Piezoaktorik haben wir uns auch zum Ziel gesetzt, magnetische Aktoren direkt bei uns im Haus zu designen, also nicht nur Motoren zuzukaufen und dann zu modifizieren, sondern direkt auch magnetische Aktorik zu entwickeln“, so der Mechatronik-Experte. PI habe in diesem Bereich in den letzten zwei Jahren zwölf neue Produkte auf den Markt gebracht. „Kleine Antriebe – wir sagen dazu Voice-Coil-Aktoren –, die auch wieder als Systemlösung mit miniatur-inkrementellen optischen Sensoren gekoppelt sind“, verdeutlicht er. Es handele sich hierbei um ein geschlossenes System, dass eine Auflösung in der Größenordnung von 70 Nanometern bietet. Eine Anwendung ist beispielsweise ein Miniaturoptik-Gen-Analysesystem, in dem gleich sechs solcher Voice-Coil-Aktoren zum Einsatz kommen.

Eugen Elmiger

Und für Maxon Motor sind Mikroantriebe ohnehin Programm. „Wir bieten Mikroantriebe von 4 mm bis 90 mm Durchmesser an“, sagt Eugen Elmiger, Vorsitzender der Geschäftsleitung der Schweizer. „Wie ihre großen Vorbilder, sind Maxon Micro Drives modular aufgebaut: DC und EC Motor, Getriebe, Sensorik und Steuerelektronik lassen sich zu einem fertigen System kombinieren.“ Durch ihr robustes Design, ihre Leistungsdichte und Energieeffizienz sind Maxon Mikroantriebe laut Elmiger optimal für den mobilen Einsatz gerüstet. So etwa für Laserdistanzmessgeräte, Wärmebildkameras oder Mikropumpen. Zudem finden die Mikroantriebe des Herstellers von der Industrieautomation und Robotik über die Sicherheitstechnik sowie die Mess- und Prüftechnik bis hin zu Medizintechnik und Raumfahrt in nahezu allen Branchen Anwendung.

So arbeiten in den Mikro-Deltarobotern „Pocket Delta“ der Westschweizer Firma Asyrils platzsparende Mikromotoren des Antriebsspezialisten. Der Parallelmechanismus des Roboters wird mit drei bürstenlosen EC-i 40 DC-Gleichstrommotoren angetrieben, die alle an einer Platte oberhalb des Roboters angebracht sind. Sie haben einen Durchmesser von lediglich 40 mm und verfügen über eine Leistung von 50 Watt. Damit ist die bewegte Masse sehr klein und der Roboter deshalb hochdynamisch. Für einen Pick-and-Place-Zyklus benötigt der Pocket Delta 0,33 s und schafft damit drei Zyklen pro Sekunde. In Verbindung mit der hohen Steifigkeit der kinematischen Struktur verfügt der Roboter über eine Wiederholgenauigkeit von weniger als drei Mikrometer. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Medizintechnik: Endoskope, Prothesen, ophtalmochirurgische Geräte, Bestrahlungsanlagen, tragbare Medikamentenpumpen oder Chirurgieroboter verlangen höchste Standards bezüglich Qualität und Zuverlässigkeit. „Unsere Mikroantriebe sind auf Wunsch nach der Medizinnorm ISO 13485 zertifiziert, was unseren Kunden Sicherheit und Rückverfolgbarkeit garantiert“, ergänzt der CEO.

Auch bei Koco Motion ist das Einsatzspektrum breit. So baut man laut Kämmerling unter anderem Mini-Ventilsteuerungen für die Landwirtschaft, Sicherheitssensoren für die Automobilindustrie und Mikroantriebe für Bildschirmpositionierungen. Das Unternehmen ist zudem exklusiver Vertriebspartner von Constar, Hersteller von DC Glockenläufern und eisenlosen bürstenlosen Gleichstrommotoren.

Zur SPS IPC Drives im letzten Jahr stellten die Dauchinger als Resultat dieser Partnerschaft beispielsweise ein Miniatur-Servosystem vor, bestehend aus dem 12 mm schlanken bürstenlosen Servomotor mit Encoder und Planetengetriebe. Der Motor bringt eine Dauerleistung von 1,1 W, der Encoder hat 256 Linien, zwei Kanäle und Null Index, das Planetengetriebe ist für ein zulässiges Dauerdrehmoment von 0,2 Nm ausgelegt. Anwendung findet dieses Servosystem bereits in medizinischen Geräten, wie einem Multilamellenkollimator.

Baubreiten von 8 mm, Durchmesser von 12 oder 16 mm werfen unwillkürlich die Frage auf, wo liegen die technologischen Grenzen der Miniaturisierung? Wieviel kompakter lassen sich Antriebe noch bauen? Für Kämmerling sind die Grenzen der Miniaturisierung noch längst nicht erreicht. „Wir haben zum Beispiel das Servosystem mit Durchmesser 12 mm im Angebot, aber es geht sicherlich noch wesentlich kleiner“, ist er überzeugt. Wobei kleiner nicht auch gleichbedeutend sei mit billiger. Und für den Mechatronik-Experten Gloess nimmt die Miniaturisierung in den letzten Jahren erst richtig Fahrt auf – bei gleichzeitiger Erhöhung der Präzision. „Ich beobachte diese Entwicklung bei den Biowissenschaften, der Gen-Analyse, den Mikrosystemtechnologien und insbesondere in der Halbleiterindustrie“, verdeutlicht er. Neben der Chip- oder der Wafer Stepper-Herstellung, benötige man für Halbleiter auch viel Testequipment für die Herstellung von Masken u.a. „Auch dafür braucht man Kleinantriebe, dezentralisierte Multiaktor-Systeme“, fährt Gloess fort. Grenzen oder Schranken nach unten sieht er eher in den 13 Nanometern bei denen die Halbleiterindustrie zurzeit zu stagnieren scheint. „Auf der anderen Seite ist es so, dass man in der Automatisierungsindustrie noch viele Zehnerpotenzen von einer solchen Schranke weg ist. Daher sehe ich in diesem Bereich zurzeit in keiner Weise eine Begrenzung“, unterstreicht der Ingenieur. Eugen Elmiger sieht dagegen schon gewisse Grenzen. „Selbstverständlich sind uns bei der bestehenden Technologie physikalische Grenzen gesetzt“, stellt er klar. „Stellen Sie sich einen winzigen Magneten von weniger als 2 mm Durchmesser vor. Wie viel Leistung soll man da noch rauskriegen? Sicher ist: Wir beobachten auch alternative Antriebskonzepte…“

In Zeiten von Industrie 4.0 bleibt die Frage nach der Netzwerkfähigkeit der Winzlinge. Gloess: „Die Netzwerkfähigkeit ist sicher eine größere Herausforderung als bei großen Antrieben, bei denen man einfach Platz hat und im Verhältnis zum Antrieb wenig Energie benötigt um das Interface zu gestalten.“ Die derzeitigen Interfaces wie Ethernet, EtherCAT oder Profibusse würden noch relativ viel Energie benötigen, einfach groß bauen und seien noch recht langsam.

„Wir sind mit unseren eigenen Produkten diesbezüglich Vorreiter, unsere internen Regelschleifen laufen typischerweise mit 20 bis 30 Kilohertz“, nennt er die von PI erzielten Werte. „In der Automatisierungsindustrie hat man zeitgetriggerte Takte von 1 Kilohertz und nennt das Realtime. Also das hat mit unseren Vorstellungen von Realtime nichts zu tun“, betont er. Für Industrie 4.0 spiele jedoch gerade die dezentralisierte, schnelle Kommunikation eine ganz entscheidende Rolle. Das sei die Kerntechnologie, die man hier bereitstellen müsse und zwar in Form sehr schneller bidirektionaler Kommunikation. „Entwicklungen, die die Industrie zurzeit verfolgt, nämlich optische Kommunikationstechnologien – Stichwort Silicon Photonics – werden früher oder später zum Durchbruch einer vernetzten Technik führen“, ist Gloess sicher. „Die Vernetzung halte ich für eine Kerntechnologie aber auch für ein Kernproblem, das aus meiner Sicht bisher nicht richtig gelöst ist. Wir bei Physik Instrumente helfen uns daher mit eigenentwickelten Netzwerken.“ Arbeiten zu optischen Netzwerkfunktionen würden aber bereits laufen.

Die Miniaturisierung in der Automatisierung und Antriebstechnik treibt Themen wie Dezentralisierung, Vernetzung und Echtzeitkommunikation also voran – und damit letztendlich auch das Megathema Industrie 4.0. Kleinst- und Mikroantriebe sind mittlerweile mit Hightech-Komponenten vollgestopft beziehungsweise längst selbst Hightech. Belegt wird dies nicht zuletzt durch die Rosetta-Sonde der ESA. Wenn der Lander Philae am 11. November am Landeplatz „J“ aufsetzt, tragen die leistungsfähigen Winzlinge entscheidend zum Gelingen der Mission bei. Johannes Gillar

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