„Marktnachfrage beeinflusst den Weg in die Serienfertigung“

Herr Dr. Bertolini, wie klein können Mikroaktoren heute schon sein?

Der Begriff Mikroaktoren wird heute in zweierlei Bedeutung verwendet. Damit sind einerseits Antriebe und Antriebsvorrichtungen gemeint, die exakte Positionierungen im Mikrometerbereich erlauben. Hierzu gibt es seit vielen Jahren bewährte Lösungen, die stets weiter verbessert werden. Dazu zählen Piezoantriebe, Hexapoden und auch Schrittmotorantriebe mit bewährtem Mikroschrittbetrieb. Als Mikroaktoren werden aber auch Antriebe bezeichnet, die Komponenten und Bauteile mit Abmessungen von einigen Hundert Mikrometern enthalten. Diese können zum Teil mikromechanisch hergestellt werden, andere sind nur über lithografische Maskenverfahren, ähnlich wie bei der Herstellung von Halbleitern, zu fertigen. Sie werden praktisch aus einer Grundstruktur herausgeätzt. Beide Arten von Mikroantrieben lassen sich heute reproduzierbar herstellen. Technisch machbar ist damit heute beeindruckend viel.

Und wie sieht es mit dem Einsatz in der industriellen Praxis aus?

Das hängt von der Größe ab. Antriebe mit den Abmessungen von etwa einem Millimeter und weniger erzeugen sehr geringe Drehmomente und Kräfte. Oftmals lassen sich damit die eigenen inneren Reibkräfte und Reibmomente kaum überwinden – und die ureigenste Aufgabe des Antriebs, nämlich eine Last entlang einer vorgegebenen Bahn zu bewegen, ist kaum zu erfüllen. Vor diesem Hintergrund sind praktische Anwendungen natürlich schwierig. Bei mikromechanisch hergestellten Antrieben im Durchmesserbereich von zwei bis fünf Millimetern werden aber bereits Kräfte und Drehmomente erzielt, mit denen sich reale Antriebsaufgaben bewältigen lassen. In der industriellen Umsetzung sind schon Anwendungen in Medizinprodukten: Da sprechen wir von Geräten für die minimal-invasive Chirurgie und Diagnosewerkzeugen, die im menschlichen Körper eingesetzt werden. Damit sind beispielsweise Herzkatheter oder Röntgenkapseln gemeint. Aber auch in der Optik werden Kleinstantriebe eingesetzt, wie zum Beispiel in einem Mini-Beamer.

Welche Rahmenbedingungen spielen bei der Marktentwicklung eine Rolle?

Wichtig für die Weiterentwicklung und Verbreitung der Mikroaktoren ist der Bedarf bei den Anwendern. Aus meiner Sicht werden Kleinstantriebe im Durchmesserbereich von zwei bis fünf Millimeter in den nächsten fünf Jahren in vielen Anwendungen eingesetzt. Reale Chancen für noch kleinere Antriebe sehe ich im industriellen Bereich derzeit nicht. Ohne Nachfrage werden diese Antriebe aber auch nicht gezielt weiterentwickelt, da ein ‚Technology-Push‘ nicht funktionieren wird.

Was sind die Ursachen für die Zurückhaltung bei den Anwendern?

Die potenziellen Anwender solch spezieller Antriebe müssten sich zunächst auf ganz andere Strategien in der Verarbeitung einstellen. Um winzige Mikroantriebe einsetzen zu können, ist in der Produktion ein anderes Umfeld notwendig als bei Antrieben mit konventionellen Abmessungen. Das fängt mit einer anderen Messtechnik an, geht mit den höheren Reinheitsanforderungen an die Umgebung weiter, die gegebenenfalls das Arbeiten im Reinraum erfordern. Damit geht auch eine höhere Qualifikation von Mitarbeitern einher und eine angepasste Wareneingangsprüfung. Da diese Veränderungen noch nicht vollzogen sind, wird sich die Marktentwicklung für Mikroaktoren verzögern. Das vor vielen Jahren prognostizierte hohe Umsatzpotenzial kann aber durchaus erreicht werden.

Dr. Birgit Oppermann birgit.oppermann@konradin.de

Der robuste, langlebige Aufbau, die einfache Regelung über die Betriebsspannung und die gute EMV-Verträglichkeit von Flachläufer-DC-Motoren erlauben den Einsatz in empfindlichen Messgeräten oder in der Medizintechnik.

Hohe elektrische Spannungen werden für viele Anwendungen wie das Laserkopieren, den elektrostatischen Lackauftrag oder die Rauchgasreinigung benötigt, können aber durch statische Entladungen und hohe Feldstärken moderne elektronische Bauteile zerstören. Daher ist in vielen Bereichen eine Abschirmung oder Erdung vorgeschrieben. Wo moderne Technik auf elektrostatische Aufladung angewiesen ist, muss die tatsächliche Höhe des elektrischen Potenzials messbar sein. Das ermöglicht zum Beispiel ein handliches Elektrofeldmeter der Kleinwächter GmbH aus Hausen, das nach dem Prinzip eines Influenzgenerators arbeitet und die elektrische Feldstärke berührungslos bestimmt. Dabei verhindert ein rotierender Abschirmflügel zeitweise das Eindringen des Feldes in das Messgerät. So trifft das Feld in regelmäßigen Abständen auf die Messelektrode; durch Influenz entsteht so eine Wechselspannung, und der dazu proportionale Wechselstrom wird gemessen. Mit diesem Prinzip gelingt es, elektrische Ladungen und Felder zu bestimmen, ohne ihnen Energie zu entnehmen.

Für den Antrieb des Abschirmflügels im neuen Elektrofeldmeter EFM 022 werden Kleinstantriebe von Faulhaber aus Schönaich bei Stuttgart eingesetzt. Der für diese spezielle Anwendung zugeschnittene Motor war im Produktprogramm schnell gefunden und wurde leicht modifiziert: Montageplatte und Ankerwelle wurden an die Anforderungen angepasst.

Das benutzerfreundliche Messgerät deckt einen weiten Spannungsbereich in fünf Messbereichen ab. Die Anzeige lässt sich für den Einsatz an unzugänglichen Stellen auch „einfrieren“ und nachträglich ablesen. Eine 9-V-Blockbatterie dient als Stromversorgung. Um mit dem begrenzten Energievorrat lange Betriebszeiten zu ermöglichen, müssen alle Komponenten des Feldmeters auf geringsten Stromverbrauch optimiert werden. Dies gilt vor allem für die mechanische Komponente, den Antriebsmotor für das Flügelrad. Der hier verwendete Flachläufer-DC-Motor ist ohne Wellenenden nur knapp 6 mm hoch, was einen platzsparenden Einbau im Kopf des Messinstrumentes erlaubt. Der reine Durchmesser beträgt 15 mm. Der edelmetallkommutierte Gleichstrommotor ist für den Einsatz in akkubetriebenen Geräten prädestiniert. Je nach Geräteversorgungsspannung können Motoren mit 3, 6 oder 12 V Betriebsspannung eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad beträgt 67 %. Die Leerlaufdrehzahl liegt bei rund 12 000 U/min, und die Drehzahl lässt sich über die Versorgungsspannung regeln. Die Abgabeleistung liegt je nach Spannungsausführung zwischen 0,15 und 0,22 W. Mit Kunststoffgehäuse wiegt der Motor 4,3 g.