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Positioniereinheit für kleinste Werkstücke entwickelt

15.09.1998 - (idw) Friedrich-Schiller-Universität Jena

Forscher der Uni Jena entwickelten neue Positioniereinheit:

Haarfeine Berührungen millimetergenau

Jena. (15.09.98) Bis auf zehn Nanometer genau können jetzt Ingenieure der Jenaer Universität Werkstücke oder mikroskopisch kleine Objekte bewegen, um sie für die Fertigung und wissenschaftliche Untersuchungen in einer exakten Position zu verankern. Zehn Nanometer entsprechen dem Sechstausendstel einer Haaresbreite, erläutert Diplomingenieur Steffen Eckner vom Technischen Institut. Gemeinsam mit seinem Team entwickelte er dafür eine neuartige Positioniereinheit, die durch drei verformbare Keramikzylinder angetrieben wird. Diese "Piezokeramiken" bestehen aus einem Material, das seine Form elektrisch gesteuert verändert. Mit dieser raffinierten Technik möchten die Jenaer vor allem die hohe Genauigkeit von Rastersondenmikroskopen auch bei größeren Proben nutzen.

Bisher waren Aussagen über die komplette Struktur eines Untersuchungsobjektes nur schwer möglich, denn die feine Abtastspitze des Mikroskops erreichte immer nur eine winzige Fläche. Mit einer Größe von 0,1 x 0,1 mm entspricht sie der eineinhalbfachen Breite eines Haares. Um Informationen über das ganze Objekt zu erhalten, müssen die Forscher es um Bruchteile eines Millimeters verschieben können. Sie lösen das Problem durch ein "Mosaik". Wie Steinchen an Steinchen aneinandergereiht, werden die kleinen Flächen der Reihe nach unter dem Rastermikroskop verschoben und untersucht. Schwierig bleiben jedoch die "Nahtstellen" zwischen den einzelnen Rastern. Um eine Struktur nicht zweimal zu sehen oder doppelt zu bearbeiten, müssen die "Kanten" jedes Rasters passgenau aneinander gelegt werden. Dabei dürfen weder Höhen- noch Kippfehler auftreten, um das Ergebnis nicht zu verfälschen. "Erst wenn sich die Flächen nahtlos aneinanderfügen, kann die Spitze des Rastermikroskops wie die Nadel eines Plattenspielers alle Strukturen auf einer größeren Fläche detailliert abtasten", so Eckner.

Die Idee zu dem neuen Gerät entstand bei den Jenaer Forschern während der Routinearbeiten im eigenen Institut. Für die vorhandenen Rastermikroskope fehlte bislang ein Positioniersystem, das die Raster exakt verschieben konnte. Jetzt bewegen drei Piezozylinder eine Platte aus Spezialkeramik in sechs Freiheitsgraden und schaffen dies ohne auch nur zehn Nanometer abzuweichen. Die exakte Position dieser Platte wird durch die Dreipunktauflage garantiert. Haargenau wird das darauf liegende Stück verschoben. In dreißig Bewegungseinheiten pro Sekunde heben die drei sogenannten Piezosteller die 25 cm große Keramikplatte wie auf einem Samtkissen jeweils fünf Tausendstel Millimeter nach oben und drei Tausendstel Millimeter seitlich. Durch die piezoelektrische Minimalbewegung und die geringe Auflagefläche funktioniert der Transport reibungsfrei. Thermisch unempfindliche Spezialkeramiken sorgen dafür, daß sich das "Transportsystem" immer in gleichem Maße ausdehnt.

Kernstück des Gerätes ist die Steuerung der Steller, die spezielle Computersoftware übernimmt. Als besonders schwierig gestaltet sich dabei die Koordination dieser insgesamt neun Steuerungen. Denn in jedem der drei Zylinder müssen jeweils drei Richtungen angesteuert werden. Außerdem haben die Piezosteller die unangenehme Eigenschaft, bei ihrer Rückbewegung nicht dieselbe Strecke wie bei der Hinbewegung zu benutzen. Fazit: Die Platte wird zwar bis zur richtigen Stelle bewegt, aber beim Absetzen landet sie doch woanders. Jetzt wollen die Jenaer Experten gemeinsam mit Informatikern der Friedrich-Schiller-Universität das Problem völlig "logisch" lösen. Neurofuzzy-Logik heißt das Schlagwort und bedeutet nichts anderes, als daß das System -wie das menschliche Gehirn- aus seinen Handlungen lernt.

Während der mechanisch-elektronische Aufbau der neuen Positioniereinheit bereits komplett fertig ist, hoffen die Wissenschaftler, auch die Informatiklösungen noch in diesem Jahr präsentieren zu können.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Steffen Eckner, Technisches Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Tel. 03641-947716, e-mail: p6ecst@uni-jena.de


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