Kurzfassung
Durch die immer komplizierter werdenden Mikrosysteme besteht in der Mikrosystemtechnik ein wachsender Bedarf an geeigneten Werkzeugen zur Herstellung und Montage der einzelnen Mikrobauteile. Besondere Bedeutung fällt dabei der Reinraum- und Vakuumtauglichkeit sowie der Zuverlässigkeit der Mikrogreifer und einer Positionierbarkeit bei der Montage zu.
Als Antrieb in Mikroaktoren kommen vielerlei Energiewandlungsprinzipien zum Einsatz. Eines davon ist der Formgedächtniseffekt (FG-Effekt). Dieser bei einigen metallischen Legierungen auftretende Effekt ist für die Mikrosystemtechnik besonders interessant, da er das höchste spezifische Arbeitsvermögen aller Antriebsprinzipien aufweist. Trotz dieses großen Vorteils steht die Nutzung des FG-Effektes in der Mikrosystemtechnik erst am Anfang.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des weltweit ersten monolithischen Formgedächtnis-Mikrogreifers mit integrierter Lageregelung. Aufbauend auf einer Übersicht über die Einsatzgebiete von Mikrogreifern wird ein Anforderungsprofil herausgearbeitet. Darauf aufbauend werden ein entsprechendes mechanisches Funktionsprinzip entworfen und eine analytische Grundauslegung der mechanischen Funktionselemente vorgenommen.
Der beschriebene Greifer besteht aus zwei antagonistisch arbeitenden Aktoren. Zum Öffnen des Greifers werden aktive Festkörpergelenke und zum Schließen ein Linearaktor vorgesehen. Beide Aktoren sind Bestandteil einer monolithisch aufgebauten Gesamstruktur. Die gesamte Greiferstruktur wird computerunterstützt optimiert. Um bei Formgedächtnisaktoren große Stellwege und Kräfte zu erreichen, ist eine homogene Spannungsverteilung mit einem definierten Spannungswert in den Aktoren wichtig. Aufbauend auf einer CAO-Routine (Computer Aided Optimization) wurde eine Optimierungsroutine für das FEM-Programm (Finite Element Method) ANSYS entwickelt. Diese modifiziert die Geometrie des Greifers iterativ mit dem Ziel einer mechanischen Optimalstruktur.
Der 2.1 x 5.8 mm2 große Greifer wird mittels Laserschneiden aus NiTi-Blechen gefertigt. Dieser wird in vorgespanntem Zustand auf ein keramisches Substrat aufgeklebt. Dadurch wird eine Deformation in den Biegestrukturen erzeugt, welche über direkte elektrische Beheizung gesteuert werden kann. Damit kann der Formgedächtniseffekt in den zwei antagonistisich arbeitenden Aktoren des Greifers selektiv aktiviert und damit die Greiferöffnung gesteuert werden. Zum Einsatz kommen kaltgewalzte Bleche von 100 m m und 230 m m Dicke. Der 100 m m dicke Greifer erreicht bei einer Heizleistung von 23 mW innerhalb von 32 ms eine Greifkraft von zu 15 mN. Bei einer Materialdicke von 230 m m wird eine Greifkraft von 35 mN bei einer Heizleistung von 60 mW innerhalb von 50 ms erreicht. Beide Strukturen weisen eine Greifbewegung von 330 m m auf.
Für Positionierfunktionen wird der Greifer zu einem Greifsystem mit einer rückgekoppelten Lageregelung erweitert. Hierzu wird zwischen die beiden Aktoren ein optischer Spalt eingesetzt welcher sich zwischen einer Sende- und Empfangsdiode bewegt. Über die Verschiebung des optischen Spaltes kann dann die Greiföffnung detektiert werden. Rückgekoppelt über dieses Signal stellt ein PI-Regler (Proportionalitäts- und Integrations-Regler) über die Heizleistung die gewünschte Greiföffnung ein. Mit dieser integrierten Lageregelung erreicht der Greifer eine vorgegebene Greiföffnung innerhalb von 140 ms mit einer Genauigkeit von 3 m m.
Development of a shape-memory-microgripper
Abstract
The rising complexity of microsystems induces a growing demand for assembly systems of single components. Special attention arises in the field of cleanroom and vacuum suitability as well as the reliability of the gripper in assembly systems.
For microactuation, various principles can be used. One of these principles is the shape-memory-effect. This effect, which occurs in some metallic alloys, is particularly interesting for microsystems technology, because it delivers the highest work output compared to other principles. Despite this advantage the use of shape-memory-alloys in microsystems technology is just beginning.
The present work describes the development of the first monolithic shape-memory-microgripper with integrated position control. Based on an overview of the application fields for microgrippers, a catalog of requirements is presented. Corresponding to this information a principle of mechanical function and an analytical design of the mechanical elements is projected.
The described gripper consists of two actuation units which form an antagonistic pair. For the opening movement a bending actuator and for the closing movement a folded beam structure are used. Both actuators are components of one monolithic structure. Stress and strain profiles have been calculated by finite element simulations (FEM). In order to avoid local stress concentrations in the actuation units upon loading and to optimize the work output of the shape-memory-effect, the lateral widths of the actuation units must be optimized. Based on a CAO-routine (Computer Aided Optimization) a tool for stress optimization for the FEM software ANSYS had been developed. This tool modifies the lateral widths of the structure in iterative steps with the purpose of a mechanical optimum.
The gripper of 2.1 x 5.8 mm2 lateral size is microfabricated from NiTi sheets by laser cutting. It is mounted on a substrate in a prestrained condition. Thus, a deformation is created in the beam structures, which can be controlled by electrical heating. By selective heating of the folded beam structure above the phase transition temperature, they recover their undeflected memory shape, which leads to the closing motion of the gripper. Grippers of different thickness were fabricated. The grippers of 100 m m thickness reach a gripping force of 15 mN within 32 ms at an electrical heating power of 23 mW. The 230 m m grippers close in 50 ms with a force of 35 mN heated by 60 mW. Both structures show a gripping-movement of 330 m m.
For position control, the gripper is extended to a gripping-system with a feed-back control. For this purpose an optical position sensor is integrated in the gripper. This sensor consists of an optical slit between the two actuation units which is sandwiched between a UV sending- and a detection-diode, arranged in a transmission configuration. This allows a detection of the movement of the optical slit and thus of the gripping displacement. A signal for position control is performed by a software programmed PI-controller. This setup allows a gripping movement within 140 ms with a precision of 3 m m.