27.05.2014

Genaue Positionierung ohne Regelkreis

Schrittmotoren für die Lasertechnik

Laser sind vielseitige Werkzeuge. Femtosekundenlaser beispielsweise emittieren ultrakurze Lichtimpulse, diese werden gebündelt und in Wellenpakete von hoher Energie aufgeteilt. Fast alles lässt sich heute auf diese Weise bearbeiten. In der Materialbearbeitung beispielsweise kann man deshalb heute genauso wenig auf sie verzichten wie bei Operationen am Auge oder in der Super-High-Resolution-Mikroskopie. Bei den unterschiedlichen Anwendungen kommt es dann auf die jeweils richtige Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie, Taktfrequenz und die entsprechende Fokussierung an. Das heißt, die Prismen, Filter und Spiegel, die den Laserstrahl entsprechend beeinflussen, müssen dazu präzise positioniert werden. Schrittmotoren bieten hierfür gute Voraussetzungen, wie das im Folgenden beschriebene Beispiel zeigt.

Autoren: Dipl.-Ing. Andreas Seegen, Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG;
Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee.


Bild 1: Femtosekundenlaser sind heute Stand der Technik und werden in vielen Bereichen verwendet.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG

Wie ein Laser funktioniert, erklärt im Prinzip schon das Wort selbst, denn seine Buchstaben stehen für 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation', also auf Deutsch: die Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Im Prinzip wird Licht durch Energiezufuhr und optische Tricks verstärkt und gebündelt. Dafür werden u.a. Prismen, Filter und Spiegel benötigt, die den Strahl zerlegen, auf bestimmte Wellenlängen konzentrieren und zur Verstärkung viele Male zwischen zwei Spiegeln hin- und herlaufen lassen. Während der konstante Strahl eines Laserpointers vergleichsweise schwach ist, wird die Energie in gepulsten Lasern durch die Manipulation der Frequenzen und die Verzögerung des Lichtlaufs in kleinen Paketen hochgradig komprimiert.

Feuern im billiardstel Sekundentakt

Femtosekundenlaser sind heute Stand der Technik und werden in vielen Bereichen verwendet. Wo ihre Pulse auftreffen, hat die beschossene Materie keine Zeit zu schmelzen, sie geht unmittelbar in den gasförmigen Zustand über und kann einfach abgesaugt werden. So lassen sich feinste Schichten auf wenige Nanometer genau abtragen. Dabei entstehen keine gratbildenden Schmelzreste und das benachbarte Material erwärmt sich praktisch nicht. Die Anwendungsmöglichkeiten sind demzufolge breit gefächert. Dazu gehören u.a. die Multiphotonenmikroskopie, die Mikrochirurgie, die Bearbeitung von feinsten Strukturen, z.B. in der Medizintechnik, die chemische Analyse oder die fälschungssichere Mikromarkierung. Je nach Anwendung kommt es jedoch auf die richtige Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie, Taktfrequenz und der richtigen Fokussierung an, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Hierauf hat sich die französische Firma ISP System spezialisiert. Sie fertigt die Aktoreinheiten, die die Prismen, Filter und Spiegel im Inneren des Lasers bewegen und so dem Lichtpuls seine genau definierte Qualität verleihen.

Aufwendige Ansteuerelektronik ist nicht erwünscht

Als treibende Kraft dieser Stelleinheiten kommen prinzipiell verschiedene Antriebsarten infrage: elektromagnetische, piezoelektrische oder klassische Schrittmotoren. "In manchen Einsatzgebieten, wie etwa der Forschung, können die ersten beiden Antriebsarten ihre besonderen Stärken ausspielen, doch im industriellen Alltag sind klassisch angetriebene Aktoren in vielerlei Hinsicht überlegen", erläutert Sébastien Theis (ISP System), fügt allerdings einschränkend hinzu: "Sofern die Qualität der Geräte stimmt und erstklassige Motoren verwendet werden. Sie müssen nämlich sehr genau arbeiten, ihre Steuerung darf aber nicht zu komplex sein." In eben diesem Punkt haben piezoelektrische und elektromagnetische Antriebe einen entscheidenden Nachteil: Sie erreichen ihre hohe Präzision nur in einem geschlossenen Regelkreis. Das heißt, dass eine Messeinheit nötig ist, welche die Bewegung erfasst, die Werte an die Steuerung übermittelt, die wiederum die Bewegung nachregelt. "Der geschlossene Regelkreis bedeutet eine relativ große Komplexität und erfordert zusätzliche Elektronik", erklärt Sébastien Theis. "Das macht die Lösung nicht nur teurer, sondern auch wesentlich aufwendiger und klobiger."

Keine Referenzfahrt erforderlich

Schrittmotoren können dagegen auch im offenen Regelkreis zuverlässig betrieben werden, kommen ohne Sensor aus und sind schon deshalb kompakter. Wichtig ist jedoch, dass sie während der Bewegung keine Schritte 'verlieren', weil sonst eine Referenzfahrt notwendig wird. Die eingesetzten Schrittmotoren der Serie AM1020 wurden für die Stelleinheiten im Laser mit unterschiedlichen Getriebevarianten kombiniert. Sie sind aufgebaut als Zwei-Phasen-Schrittmotoren mit Permanentmagneten und arbeiten nach dem sogenannten Precistep-Verfahren. Aufgrund des optimierten Aufbaus und durch den Einsatz von NdFeB-Magneten wird ein sehr gutes Leistungs-/Volumenverhältnis erreicht. Die Ansteuerung im Voll-, Halb- oder Mikroschrittbetrieb ermöglicht es, genaue Drehzahlprofile zu fahren oder wie in der beschriebenen Anwendung, eine Positioniersteuerung im offenen Regelkreis aufzubauen. Der Rotor besteht aus einem Kunststoffträger für zehn bis zwölf magnetische Polpaare, je nach Motorausführung. Das große Magnetvolumen garantiert ein hohes Drehmoment, das verwendete Magnetmaterial ermöglicht den Einsatz bei sehr tiefen Temperaturen und bei Sonderausführungen bis über 180°C. Dabei sind die Motoren ausgesprochen kompakt gebaut: Bei einem Durchmesser von 10mm sind sie lediglich 15,8mm lang.

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Sicher auch im stromlosen Zustand

Ein weiterer Vorteil des Schrittmotors in vielen Anwendungen ist, dass er seine Position auch ohne Stromzufuhr verlässlich hält. Das ist beim Betrieb in der geschlossenen Laserbox deshalb von Bedeutung, weil jeder Laserpuls mit einer elektromagnetischen Entladung einhergeht. Ein geschlossener Regelkreis mit Aktor und Sensor kann nur bei Stromzufuhr funktionieren. "Die Entladung kann dann in einer solchen Einheit Störungen verursachen. Das wiederum könnte dazu führen, dass etwa ein Kippspiegel aus seiner vorgegebenen Position gerät", erläutert Sébastien Theis das Problem. Die Folgen wären fatal, z.B. wenn der Laser zur Korrektur der Hornhaut eines kurzsichtigen Auges eingesetzt wird. Mit dem stromlos feststehenden Schrittmotor ist eine solche Störung ausgeschlossen. Neben diesen bauartbedingten Eigenschaften und der hohen Qualität, gab es aber noch weitere Gründe, warum sich ISP System für diese Motoren entschieden hat: "Wir haben keinen zweiten Hersteller gefunden, dessen Produkte sich so leicht und schnell an unsere Anforderungen hätten anpassen lassen. Wir können aus einer unvergleichlich breiten Palette von Motoren und Getrieben auswählen. Darüber hinaus ist Faulhaber in der Lage, Motoren nach unseren Anforderungen spezifisch zu entwickeln. Dank kurzer Lieferzeiten können wir sehr schnell auf die Wünsche unserer Kunden reagieren. Und wir haben immer kompetente Ansprechpartner, die unsere Technologie kennen und zu ihrer Weiterentwicklung beitragen."

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