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Prozessintegration für Mikrooptiken


 

Alle Schritte in einer Anlage vereint

Mikrooptische Systeme sind heutzutage ein häufiger Bestandteil moderner und komplexer Anlagen- und Maschinentechnik und spielen auch eine wichtige Rolle in der Consumereleketronik und im Life-Science-Bereich. Die Fertigung der mikrooptischen Systeme stellt für den Produzenten auf Grund der miniaturisierten Einzelkomponenten und deren Handhabung eine große Herausforderung dar. Viele mikrooptische Komponenten können kostengünstig für den Massenmarkt über die Technologie des Mikrospritzgießens hergestellt werden. Fehlende Automatisierungslösungen für die nachfolgenden komplexen Montage- und Prüfschritte bis zur fertigen Baugruppe limitierten bisher die Losgrößen. Innerhalb der Bearbeitung eines Verbundprojektes entstand gemeinsam mit anderen Partnern eine Kombination aus Produktions-, Prüf- und Montagezelle für die Baugruppenfertigung von mikrooptischen Systemen aus Kunststoff.

Ziel des Projektes „FASAMOS“
(Flexibel Automatisiertes, qualitätsgesteuertes Zweikomponenten-Spritzgießen, Abtrennen und Montieren funktionsintegrierter MikroOptischer Systeme aus Kunststoff):

Die Anlage ermöglicht die kostengünstige und losgrößenflexible Produktion von mikrooptischen Systemen aus Kunststoff.

Alle Prozessschritte sind in einer Produktionsanlage vereint:

  • schussgewichtsoptimiertes 2K-Mikrospritzgießen
  • Handhabung
  • Trennen
  • Montieren
  • Prüfen


Prozesskettenentwurf für Demonstrationsformteil

Große Herausforderungen bei kleinen Teilen

Mikroformteile haben im Vergleich zu Standardspritzgussteilen ein deutlich größeres Oberfläche-Volumen-Verhältnis. Die dabei entstehenden Adhäsions- und elektrostatischen Kräfte führen oft zur Haftung der Teile an den Werkzeugoberflächen, was wiederum ein sicheres Fallenlassen verhindert. Gegen das Fallenlassen spricht bei Mikroformteilen in vielen Fällen auch die Beschädigung oder Verunreinigung von empfindlichen Funktionsoberflächen. Eine manuelle Handhabung der Teile ist wegen der geringen Abmessungen (die Teile sind teilweise mit bloßen Augen nicht sicher erkennbar) und wegen der Empfindlichkeit der Oberflächen nicht mehr möglich. Beim Mikrospritzgießen kann also schon bei ungewöhnlich niedrigen Stückzahlen der Einsatz von Handhabungsgeräten notwendig sein. Diese Argumente legen nahe, dass weitere Schritte der Prozesskette auch eine Handhabungsunterstützung benötigen. Damit ist der Schritt zu einer Fertigungszelle mit mannloser Bestückung, Montage und Qualitätssicherung folgerichtig. Da auch manuelle Techniken bei diesen Formteilabmessungen teure Gerätetechnik benötigen, ist der Schritt zur Automatisierung auch ökonomisch gut darstellbar. Das breite Stückzahlspektrum verlangt nach größenskalierbaren Automatisierungslösungen.

So gelingt die Integration


FASAMOS-Anlage

In das Anlagenkonzept einer Spritzgieß- maschine lassen sich diejenigen Automatisierungsschritte gut integrie- ren, welche ähnliche Taktzeiten wie der Spritzgießprozess aufweisen. Spezifik des Mikrospritzgießens ist die aus den kleinen Formteil-Wanddicken resultie- rende kurze Zykluszeit, wodurch auch die Taktzeiten der angebundenen Automatisierungsschritte sinnvollerwei- se verkürzt werden müssen.

Ausgangspunkt der Anlage ist die 2K-Mikrospritzgießmaschine formicaPlast-2K. Die Maschine ist in der Lage, sowohl bewegliche oder feste Verbund-Mikroformteile, als auch simultan zwei unabhängige Mikroformteile herzustel- len, welche in einem nachfolgenden Montageprozess gefügt werden. Konzeptionelles Ziel der Automatisie- rungslösung ist es, die an den Spritz- gießprozess angeschlossene Montage- zelle so zu gestalten, dass ein mög- lichst breites Spektrum mikrooptischer Bauteile und eine möglichst große Vielfalt an denkbaren Montage- und Prüfaufgaben abgedeckt werden können.

Vollständige Automatisierung

In der Montagezelle werden die Teile nach Übernahme von der Spritzgießmaschine dem Vorbearbeitungs-, Montage- und Nachbearbeitungsmodul zugeführt. Dieses Modul ist als Rundschalttisch mit sehr hoher Positioniergenauigkeit ausgeführt. Die Zahl der Stationen und ihre Funktionen sind frei wählbar. Für die Demonstrationsformteile wurden die folgenden 6 Stationen ausgeführt:

Montagemodul

Demonstrationsformteil zeigt Montagemöglichkeiten

Die Montage des Optosensors auf dem extern gefertigten Grundkörper wird im Montagemodul kameraunterstützt von einem Scara-Roboter ausgeführt. Die Positionier- und Montagegenauigkeit soll in Summe bei +/- 0.03 mm liegen. Für höhere Anforderungen, kann die Montage z. B. auch mit einem Gantry oder einem Positioniertisch erfolgen.


2-fach Spritzling Optosensor

Die Montage der LED-Gehäuse auf dem Grundkörper erfolgt durch Kleben. Das Dispensen der Klebepunkte auf den Grundkörper wird von einem Kleberdosiersystem am Roboterarm (taktzeitbedingt evtl. ein Mehrfachdosierkopf) ausgeführt. Das LED-Gehäuse wird danach mit dem Roboter in die Montagekavität des Grundkörpers gesetzt. Da für eine exakt zentrische Apparatur der Präzisions-LED die mittige Positionierung des Gehäuses über dem Licht aussendenden Chip notwendig ist, arbeitet der Roboter kameraunterstützt. So wird das Gehäuse zu der Ist-Lage des Chips zentriert, wobei für eine höhere Präzision noch eine Kontrollmessung mit eventueller Lagekorrektur erfolgt.


Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundes- ministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmen- konzeptes „Forschung für die Produktion von morgen“ (Förderkennzeichen: 02PC2006) gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe (PTKA) betreut.