SUCCESS STORY – Schwere Lasten auf den Mikrometer genau positionieren-- Birgit Schulze --Schwere Lasten auf den Mikrometer genau positionieren
Hexapod an PETRA III

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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SUCCESS STORY – Schwere Lasten auf den Mikrometer genau positionieren-- Birgit Schulze --PETRA III ist eine Röntgenlichtquelle am Forschungszentrum
DESY in Hamburg (Abb. 1). Seit 2010 gilt sie als die brillanteste
Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle der Welt und bietet
internationalen
Wissenschaftlern
exzellente
Experimentiermöglichkeiten. Davon profitieren vor allem
Forscher, die sehr kleine Proben untersuchen wollen oderstark gebündeltes, sehr kurzwelliges Röntgenlicht für ihre
Analysen benötigen.

Die Vorteile gegenüber seriellen, also gestapelten Systemen,sind vor allem die deutlich bessere Bahntreue,
Wiederholgenauigkeit und Ablaufebenheit, die geringere
bewegte Masse und damit eine höhere und für alleBewegungsachsen gleiche Dynamik, kein Kabelmanagement
und ein deutlich kompakterer Aufbau.

Die energiereiche Strahlung bis über 100.000 Elektronenvolt
mit hoher Leuchtstärke bietet beispielsweise für das weite
Feld der Materialforschung vielseitige Möglichkeiten, umSchweißnähte zu prüfen oder Ermüdungserscheinungen vonWerkstücken zu untersuchen. Dazu müssen manchmalallerdings recht schwere Lasten auf den Mikrometer genau
positioniert werden. „Herzstück“ der Strahlführung P07, diederMaterialforschungmithochenergetischerRöntgenstrahlung dient, ist deshalb ein Schwerlast-Hexapod,
der dank seiner Genauigkeit erst In-situ-Messungen vonMaterialeigenschaften
unterrealistischen
Prozessbedingungen ermöglicht.

Abb. 2Abb. 1

PETRA III am Forschungszentrum DESY bietet Wissenschaftlern
aus aller Welt exzellente Experimentiermöglichkeiten. Davon
profitieren vor allem Forscher, die sehr kleine Proben
untersuchen wollen oder stark gebündeltes, kurzwelliges
Röntgenlicht für ihre Analysen benötigen, z.B. in derMaterialforschung (Bild: DESY/Reimo Schaaf)Hexapoden sind parallelkinematische Positioniersysteme(Abb. 2), die es heute in vielen Ausführungen mit Stellwegenbis zu einigen Hundert Millimetern gibt. Sie können Lasten
von einigen Kilogramm bis zu einigen Hundert Kilogrammoder sogar mehrere Tonnen auf den Mikrometer genau
positionieren, und das in beliebiger Raumorientierung, alsounabhängig von der Montage-Richtung.

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Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.dePrinzipaufbau: Bei parallelkinematischen Systemen wirken alle
Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform (Foto: PI)

Positioniert wird mit bis zu sechs Freiheitsgraden: dreilinearen und drei rotatorischen Bewegungsachsen. Dabei sindabhängig von der Geometrie des Hexapoden Bewegungenvon einigen Grad bis zu 60 Grad und bei der Linearbewegungvon einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern
möglich.
Die Reproduzierbarkeit erreicht ebenso wie die kleinste
Schrittweite Werte bis unter einem Mikrometer. Durch diegeringe Masse der bewegten Plattform sind bei den
Hexapoden die Einschwingzeiten beim Positionieren deutlichkürzer
alsbeikonventionellen,gestapelten
Mehrachssystemen. Diese Eigenschaften lassen sich in den
unterschiedlichsten Anwendungen nutzen. Die Palette reichtvon Maschinenbau und Robotik bis zu Medizintechnik undeben auch der Materialforschung mithilfe der PETRA-IIIRöntgenstrahlung, die stärker und gebündelter ist als bei allen
anderen Speicherringen der Welt. Mit 14 Strahlführungenund 30 Messstationen bietet die Anlage damit optimaleForschungsmöglichkeiten.

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SUCCESS STORY – Schwere Lasten auf den Mikrometer genau positionieren-- Birgit Schulze --Kurzwellige Röntgenstrahlung fürdie MaterialforschungDie erzeugten Röntgenstrahlen sind bis zu 5000-mal feiner als
ein menschliches Haar, womit sich extrem kleine Proben
untersuchen lassen, z.B. winzige Kristalle aus Proteinen oder
Nanokristalle für Speichermedien der Zukunft. Außerdem
stellt PETRA III aber auch sehr „harte“, also kurzwellige
Röntgenstrahlung zur Verfügung, die tief in die Materieeindringen und auch größere Materialstärken durchdringenkann.
Damit lassen sich beispielsweise Schweißnähte prüfen,Ermüdungserscheinungen an Werkstücken messen, umAufschluss über zu erwartende Standzeiten und Lebensdauer
zu erhalten, oder neue Metalllegierungen analysieren. Dabei
können Effekte nachgewiesen werden bis hinunter zu
Domänen- und Kristallstrukturen.
Die Möglichkeiten, die sich daraus für die Materialforschungergeben, macht sich das Helmholtz-Zentrum Geesthacht(HZG) zunutze, zum Beispiel für In-situ-Messungen vonMaterialeigenschaften, die während Umformprozessen
auftreten, also beim Schweißen, Pressen, Walzen oderStanzen. Die mechanische Belastung führt zu Zug- undDehnspannungen innerhalb des Materials. Die Untersuchungmithilfe des Röntgenstrahls zeigt dann den zeitlichen Verlauf
der Effekte innerhalb des Materials auf kristalliner Ebene in
mikrometergroßen Domänenbereichen (Abb. 3 und Abb. 4).

Abb. 3Abb. 4

Die Spannungswerte sind an entsprechender Stelle des Spans mit
den verwendeten Prozessparametern im Vergleich gemessen
und simuliert aufgetragen. Details der MikrostrukturCharakterisierungselbst,sowie
dernotwendigenModellierungsverbesserungenkönnenden
Originalveröffentlichungen entnommen werden: [1] K.
Brömmelhoff et al., Space resolved microstructuralcharacteristics in the chip formation zone of orthogonal cutted
C45E steel samples characterized by diffraction experiments,
Journal of Materials Processing Technology 213 (2013) 22112216 und [2] E. Uhlmann et al., An extended shear angle model
derived from in situ strain measurements during orthogonal
cutting, Production Engineering: Research and Development 7(2013) 401-408

Die Änderungen der Mikrostruktur in C45E Stahl bei derSpanbildung werden untersucht. Hierzu wird eine Schneidkante
gegen das Werkstück mit einer 100-kN-Presse (Instron 8800)
gedrückt, die auf dem Hexapod montiert ist (Bild: PI/HZG)

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SUCCESS STORY – Schwere Lasten auf den Mikrometer genau positionieren-- Birgit Schulze --Kräftiges Positioniersystem für dieExperimentierkammer„Herzstück“ der entsprechenden Experimentierkammer ist
ein Hexapod, der von der Karlsruher Firma Physik
Instrumente (PI) entwickelt wurde (Abb. 5).
Abb. 6

Dr. Norbert Schell, verantwortlicher Wissenschaftler der HEMSBeamline: „Nur die In-situ-Untersuchungen gestatten dieEntdeckung „transienter“ Phasen, d. h. von Zuständen, die imProzess nur vorübergehend auftreten. Eine bloße Untersuchungder Ausgangs- und Endprodukte lässt der Phantasie einfach zu
viel Freiheit zum wahren Verständnis“

Das parallelkinematische Sondermodell, der M-850K (Abb. 7),
bietet mikrometergenaue Positionierung für Lasten bis zu
einer Tonne in jeder Orientierung. Er ist ca. 700 mm hoch und
hat einen Durchmesser von 800 mm (obere Plattform, mit
großer Apertur) bzw. 900 mm (unten). Die untere Plattform
ist auf einem 360°-Drehtisch montiert; die Verkabelung
wurde schleppkettentauglich ausgelegt.

Abb. 5

Das parallelkinematische Sondermodell, der M-850K, bietet
mikrometergenaue Positionierung für Lasten bis zu einer Tonnein jeder Orientierung (Foto: PI)

Dr. Norbert Schell, (Abb. 6) verantwortlicher Wissenschaftlerder HEMS-Beamline, erklärt die Zusammenhänge: „Für eine
immer größer werdende Reihe von In-situ-Untersuchungenrealer, d. h. tatsächlich in der Industrie so ablaufender
Prozesse (aber natürlich nicht nur dort) – beim Schneiden vonWerkstücken, Beschichten von Oberflächen zur Härtung oder
Verbesserung tribologischer Eigenschaften, Verformen,Schweißen, Wärmebehandeln, auch Kombinationen dieser
Techniken – ermöglicht erst unser hochsteifer Hexapod mit
seiner enormen Tragfähigkeit und mikrometergenauen
Positionierung die Durchführung und damit die
wissenschaftliche Durchleuchtung der dabei auftretenden
Strukturänderungen auf atomarer Ebene.
Das ist hochinteressant und auch wichtig für ein Verständnis
derablaufenden
Prozesse,
dieletztendlichfürmaßgeschneiderte Materialien optimiert werden.“Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
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Abb. 7

Hexapod in der Experimentierhütte EH3 der Strahlführung P07
an PETRA III: Durch seine große Tragfähigkeit kann er den
vollständigen Messaufbau tragen mitsamt der Vorrichtung zum
AufbringenmechanischenoderprozesstechnischenBeanspruchung – im Bild eine Kammer zum Laserschweißen vonTitanaluminiden (Bild: PI/Helmholtz-Zentrum Geestach

Durch seine große Tragfähigkeit von bis zu einer Tonne kannder Hexapod den vollständigen Messaufbau tragen mitsamt
der Vorrichtung zum Aufbringen der mechanischen
Beanspruchung. Dabei positioniert der Hexapod auch große
Massen über Strecken von 400 mm mit einer Genauigkeit von+/- 1 µm und Drehbewegungen von +/- 20° bei einer
Auflösung bis 0,5 µrad.

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SUCCESS STORY – Schwere Lasten auf den Mikrometer genau positionieren-- Birgit Schulze --In der Experimentierkammer lassen sich so ganze
Motorblöcke, Turbinenteile, Sinteröfen und Kryokammern
sowie
Schweißvorrichtungenoderandere
Bearbeitungsmaschinen
präzisefürdiegeplanten
Untersuchungen ausrichten und während der Analyse
entsprechend verfahren. Trotz der hohen Kräfte wird dieerreichte Position stabil gehalten; die in den Hexapod-Beinen
integrierten bürstenlosen Gleichstrommotoren sind mit
Bremsen ausgestattet.

Komfortable Ansteuerung

Die gesamten wissenschaftlichen Arbeiten umfassen
Grundlagenforschung im Bereich der Metallurgie, Physik,Chemie, Biologie, die zunehmend verschmelzen. Bisherige
Forschungen umfassten dabei die Wechselwirkung zwischen
makroskopischen und mikrostrukturellen Eigenschaften
polykristalliner Materialien, Korn-Korn-Wechselwirkungen,
die Entwicklung neuer und „intelligenter“ Materialien oder
Prozesstechniken und In-situ-Katalyse. Die experimentelle
Ausstattung erlaubt es, alle Arten von Materialien mit hoherPräzision, hoher Stabilität und niedrigem Untergrund zu
untersuchen, egal ob Oberflächen, vergrabene Schichten,
Einkristalle, Pulver oder amorphe Festkörper und auch
Flüssigkeiten.

Für die entsprechende Ansteuerung des Hexapod-Systems
kommuniziert
derHexapod-Controller
mitderübergeordneten Steuerung der Messeinrichtung. DiePositionen werden in kartesischen Koordinaten vorgegeben;
alle Transformationen für die Einzelantriebe übernimmt derController. Per Softwarebefehl ist die Festlegung eines
praktisch beliebigen Punktes im Raum als Rotationszentrum
möglich. Dieser frei definierbare Drehpunkt bleibt unabhängig
von der Bewegung erhalten, die Bewegung der HexapodPlattform lässt sich so präzise auf die jeweilige
Aufgabenstellung abstimmen.

Die angewandte Forschung zur Optimierung von Fabrikationsund Umformprozessen an P07 profitiert insbesondere vomhohen Photonenfluss in Kombination mit schnellen 2DDetektoren, die komplexe und dynamische In-situ-Studien
erlauben bei mikrostrukturellen Transformationen während
beispielsweise des Schweißens, Schneidens oder thermischen
Behandelns. Die Infrastruktur gestattet den Aufbau großer
und schwerer Probenumgebungen sowie Prozesskammern
auch externer Nutzer. Hier kommt vor allem der SchwerlastHexapod zum Einsatz.

Ähnliches gilt auch für viele andere Anwendungsbereiche.
Hexapoden gibt es schließlich in unterschiedlichen Varianten
und mit verschiedenen Antriebskonzepten. Sie werden jenachAnwendungsanforderungenvonhochpräzisen
Antriebsspindeln und exakt ansteuerbaren DC-Motoren oderdirekt von Linearmotoren, z.B. auf Basis piezokeramischerAktoren, angetrieben. Mittlerweile haben sie sich bereits invielerlei Branchen bewährt, angefangen vom Maschinenbau
und der Werkzeugbearbeitung bis hin zu Halbleiterfertigung,Astronomie, Biotechnologie oder Life Sciences.

Über das Helmholtz-Zentrum
GeesthachtÜber P07 / HEMS
P07 oder HEMS (für High Energy Materials Science Beamline)
gehört zu den ersten operationellen Strahlführungen amSpeicherring PETRA III. Seit 2010 erlaubt P07 Diffraktions- undbildgebendeExperimente
wieTomographie
imhochenergetischen Röntgenbereich von 30 bis 200 keV.
Inhaus- und Entwicklungsaktivitäten teilen sich DESY und das
Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG). Letzteres hat sichdabei auf ingenieurswissenschaftliche MaterialforschungsThemen spezialisiert mit zwei Experimentierplätzen (EH3 undEH4), während DESY einen Experimentierplatz betreut (EH2),
der „allgemeineren“ Hochenergie-Streuexperimenten dient.

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Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht – Zentrum für Materialund Küstenforschung GmbH – gehört zur HelmholtzGemeinschaft Deutscher Forschungszentren, der größten
deutschen Wissenschaftsorganisation, und betreut mit die
Entwicklung und dem Betrieb deutscher und internationaler
Großforschungseinrichtungen.
Das
interdisziplinäre
Forschungszentrum wurde 1956 gegründet. Bis Ende Oktober2010 firmierte es unter GKSS-Forschungszentrum Geesthacht
GmbH.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im HelmholtzZentrum Geesthacht sind in den Forschungsbereichen derHelmholtz-Gemeinschaft in unterschiedlichen Programmenorganisiert, eines davon ist die Werkstoffforschung. Mit
Synchrotronstrahlung und Neutronen gelingt es den
Wissenschaftlern, Materialien, Werkstoffe und biologische
Systeme zerstörungsfrei zu durchleuchten und in hoher
Qualität dreidimensional darzustellen. Dazu betreibt dasHelmholtz-Zentrum
Geesthacht
Versuchseinrichtungensowohl bei DESY in Hamburg am Speicherring PETRA-III, alsauch am Forschungsreaktor FRM-II in Garching bei München.

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SUCCESS STORY – Schwere Lasten auf den Mikrometer genau positionieren-- Birgit Schulze --Autoren

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Markt & Produkte bei Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Ellen-Christine Reiff, M.A, Redaktionsbüro StutenseeÜber PIIn den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vierSitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten.
Über 850 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus
dem Bereich innovativer Präzisionspositioniertechnik zu
erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur
Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert
auf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme
mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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