Linearsysteme

Bewegung in der Mikroelektronik-Montage

Lange Zeit wurden lineare Bewegungen an Maschinen mit Gleitführungen realisiert, was mit relativ hohem Reibwiderstand und entsprechendem Verschleiß verbunden war. Später wurden dann auf Rundwellen geführte Kugelbuchsen eingesetzt, welche einen deutlich reduzierten Reibwiderstand aufwiesen und sich deshalb sehr schnell in vielen Branchen verbreiteten. Die Nachteile dieser Kugelbuchsen waren jedoch mangelnde Steifigkeit und ungenügende Tragzahlen im Vergleich zur Gleitführung, da bei Kugelbuchsen zur Führungswelle nur ein Punktkontakt besteht.

Die Weiterentwicklung aus der Kugelbuchse sind die heute bekannten Linearführungen, welche von THK Anfang der 70er Jahre als Pionier auf den Markt gebracht wurden. Hierbei besteht zwischen Kugel und Führungsschiene kein Punktkontakt mehr, sondern durch eingeschliffene Nuten in der Schiene wird ein Flächenkontakt erreicht. Dieser sorgt für höhere Tragzahlen und bei vorgegebener Grenzlast für größere Lebensdauer. Durch die Standardisierung dieser Elemente ist es gelungen, für die unterschiedlichsten Anwendungen der Industrie eine Lösung zu bieten.

Miniaturführungen

Die THK-Miniaturführungen mit zweireihigem Kugelumlauf und breiter Führungsschiene sind zur Aufnahme größerer Momente in Querrichtung zur Schiene bestens geeignet – speziell für sogenannte Einschienenanwendungen. Vorteil dieser Führung ist im Allgemeinen die äußerst kompakte Bauweise bei hoher Steifigkeit und hohen Tragzahlen. Uneingeschränkte Verfahrwege sorgen dafür, dass auch längeren Anwendungen nichts entgegen steht. Da die Führungen aus rostbeständigem Material gefertigt sind, steht auch den Einsätzen im Reinraum oder an Orten mit hoher Luftfeuchtigkeit nichts entgegen.

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Die neuesten Bestrebungen des Herstellers zielen nun dahin, die vollkugelige RSR-Type, bei der die Wälzkörper zueinander in Kontakt stehen, durch eine Führung mit Kugelkette, die SRS, zu ersetzen. Bei diesem System werden durch eine im Laufwagen integrierte Kunststoffkette die Wälzkörper auf Abstand gehalten und im Umlauf sehr präzise geführt. Dies hat zur Folge, dass eine Varianz der Verschiebekraft sehr deutlich reduziert wird. Der Verschiebewiderstand der Führung wird sehr viel gleichmäßiger. Da zwischen den Wälzkörpern kein metallischer Kontakt mehr besteht, wird der Verschleiß stark eingeschränkt. Das kann in Verbindung mit einem in der Kette integrierten Schmierstoffreservoir dazu führen, dass die Systeme in günstigen Fällen als wartungsfrei bezeichnet werden können. Sollte die Wartungsfreiheit so nicht zu erreichen sein, dann versorgt ein Vorbau-Schmiersystem am Laufwagen für gleichmäßige Ölabgabe an die Schiene.

Nadella in Stuttgart ist Vertriebspartner von THK und beliefert seinen Kunden, die Firma Sieghard Schiller in Sonnenbühl-Genkingen, auch mit Kompakt-Linearachsen vom Typ KR. Diese Achsen, eine Synthese aus Linearführung und Spindel, kombinieren hohe Tragzahlen und höchste Steifigkeit auf kleinstem Raum. Wagen und Spindelmutter sind in einem Bauteil vereinigt. Die tragenden Kugeln sind in einem 45 Grad-Kontaktwinkel angeordnet, weshalb die Achsen aus allen vier Richtungen Last aufnehmen können und dadurch für jede Einbaulage geeignet sind. Spielfreiheit wird durch Vorspannung der Wälzkörper erreicht. Ebenso wie bei den Miniaturführungen geht auch bei den KR-Achsen der Trend zur Trennung der Wälzkörper durch die Kugelkette.

Die Betriebspraxis

Beim Sondermaschinenbauer Sieghard Schiller werden in einem Geschäftsbereich Fertigungslinien für die Mikroelektronik-Montage konzipiert und gebaut. Um den wachsenden Kundenanforderungen nach Taktzeitreduzierung und hoher Verfügbarkeit bei der Umsetzung von Montage- und Vergussaufgaben Rechnung tragen zu können, setzt Schiller auf das System von verketteten Montagezellen, in welchen die einzelnen Prozessschritte realisiert werden. Die Montagezellen bestehen als Baukastensystem hauptsächlich aus den Komponenten: Schweißgestell, Portalroboter, Werkstückhandling, Bauteilpräsentation und Steuerung. Dabei hat der Einsatz von hoch genauen Bauteilen im Bereich des Werkstückhandlings große Bedeutung für das Gesamtsystem.

In den Montagezellen kommen schon seit Jahren kugelumlaufgeführte Schienenführungen von THK zum Einsatz. Während in den vergangenen Jahren vor allen Dingen im Bereich der elektrischen X- und Y-Achsen des Portalroboter-Baukastens die breite Ausführung des Linearführungssystems RSR...W Verwendung fand, werden nun auch für die Z-Achsen zunehmend servomotorische Antriebe eingesetzt. Die Führungs- und Antriebsaufgabe übernimmt dabei die kombinierte KR-Achse, welche in verschiedenen Größenabstufungen und unterschiedlichen Längen zur Verfügung steht.

Die Erfahrungen im Hause Schiller bestätigen die hohen Erwartungen an Präzision, Qualität und Lebensdauer. Die Achsen erfüllen die Anforderungen an Widerholgenauigkeit (±0,003 Millimeter), Positioniergenauigkeit (±0,02 Millimeter), Verfahrgeschwindigkeit (bis zu 1000 Millimeter pro Sekunde) und tolerieren teilweise enorme bewegte Massen. Der kompetente Beratungsservice von Nadella für die THK-Produkte ist ein weiterer Grund für die enge Zusammenarbeit beider Häuser.

Anwendungsbeispiele

Beim großen Bild handelt es sich um eine Dispens-Station zum Vergießen von Sensorelementen. Dabei wird ein Silikon-Gel mit einem dynamischen Misch- und Dosierkopf in das Bauteilgehäuse vergossen. Das präzise und wiederholgenaue Steuern von X-, Y- und Z-Achsen ist für das Vergussergebnis von entscheidender Bedeutung. Der schwere Mischkopf (bis zu 15 Kilogramm) ist an einer THK-KR-Achse befestigt.

Das zweite Bild zeigt zwei KR-Achsen, die gemeinsam an einem elektromotorischen XY-Portalroboter befestigt sind. Diese Anlagenstation ist Teil einer gesamten Fertigungslinie für die Montage von Sensoren für das KFZ-Motormanagement. Die Verkettung der Einzelstationen erfolgt mit einem Schiller-Doppelgurt-Transportband und Werkstückträgern. Dabei wird der Werkstückträger mit dem Sensorgehäuse und dem Hybrid-Substrat in der Bearbeitungsposition angehoben und das Sensorgehäuse zentriert. Die erste Z-Achse (links im Bild) ist mit zwei Kleber-Strempeln ausgerüstet, welche den Klebstoff für die spätere Montage der Hybrid-Schaltung in das Gehäuse applizieren. Der Klebstoff-Auftrag ist dabei ein prozesskritischer Arbeitsschritt und verlangt äußerste Präzision von eingesetzten Führungskomponenten. Die zweite Z-Achse (rechts im Bild) ist für die Zuführung und das Einsetzen (Montieren) der Hybrid-Substrate in das Sensorgehäuse verantwortlich. Höhe und Parallelität der Hybridlage zum Gehäuse während der Montage werden sensorisch überwacht.

Fazit

Bei diesen und ähnlichen Anwendungen konnten die eingesetzten KR-Achsen und Kugelumlaufführungen mit ihrer Präzision und Steifigkeit voll und ganz überzeugen. Zur Zeit wird im Hause Schiller in Zusammenarbeit mit Nadella der zukünftige Einsatz von Kugelumlaufführungen und KR-Achsen mit Kugelketten getestet. Die Ergebnisse sind sehr ermutigend, da zu den schon genannten Vorteilen der Kugelkette auch der Weg zu wartungsfreien Systemen beschritten werden kann. Die Autoren: Thorsten Ziegler, Konstruktionsleiter im Bereich Mikroelektronik, Sieghard Schiller GmbH & Co. KG. Stefan Bauer, Kundenbetreuer der Nadella GmbH.

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