Bewegungssteuerung für Femtosekundenlaser-Mikrobearbeitungssystem

Der Lasertechnik-Spezialist Altechna stützt sein Femtosekundenlaser-Mikrobearbeitungssystem AltSCA  auf den linearmotorbetriebenen Nanopositioniertischen der Serie ANT130 in einer kundenspezifischen 3-Achs-Konfiguration (XYZ), zu der ein Granitbrückenaufbau sowie eine spezielle pneumatisch ausgleichende Vertikalachse gehören. Die Synchronisation zwischen dem ein-nanometer -genauem Positionierungssystem und der Zündfolge des Lasers wird mit dem hochentwickelten PSO-Befehl (Position Synchronised Output) des auf der Aerotech-Software A3200 basierenden Bewegungscontrollers präzise und exakt gesteuert. Der Controller ist in die FrontEnd-Software SCA (System Control Application) von Altechna unter Verwendung der .NET Klassenbibliotheken integriert. Altechna hat seine SCA-Software mit C++ und C# entwickelt, um eine flexible und leistungsfähige Steuerungsplattform für das Laser-Mikrobearbeitungssystem zu bieten, mit dem auf drei Niveaustufen einfache bis komplexe Mikrobearbeitungstechniken ausgeführt werden können. Auf der Basisstufe bietet eine mit WYSIWYG-Darstellung ausgestattete grafische Benutzeroberfläche die Möglichkeit, komplexe Informationen zur Positionierung aus BMP- oder PLT-Dateien zu konvertieren, ohne dass eine G-Code-Programmierung erforderlich ist. Darüber hinaus kann SCA unter Benutzung von mathematischen Funktionen zur Programmierung von Multiplex-Bewegungsbahnen verwendet werden. Auf der höchsten Stufe können die Programmierer den Code für die Mikrobearbeitung direkt in C++ und C# schreiben. Die Software von Altechna wurde am Optical Research Centre der University of Southampton für die Forschung an Methoden zur ultraschnellen Lasermaterialverarbeitung verwendet. Das Femtosekunden-Laser-Bearbeitungssystem AltSCA integriert das komplette Bewegungs-Untersystem von Aerotech einschließlich der linearen Rack-Servo-Verstärker mit einer 10W Yb:KGW (1030 nm) Femtosekunden-Laserquelle, Machine Vision, strahlformender Optik und einem Galvo-Scankopf. Diese Systemmerkmale ermöglichen bei einer Auflösung von 25.400 DPI Verarbeitungsgeschwindigkeiten von bis zu 350.000 Pixel pro Sekunden. Mit der Kombination einer derart hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit und der Fähigkeit, über große Verfahrbereiche mit einer Auflösung im Nano-Bereich und einer Genauigkeit von unter einem Mikron positionieren zu können, zielt AltSCA sowohl auf Forschungs-  als auch auf Industrieanwendungen ab. Einsatzmöglichkeiten sind gleichermaßen im Entwicklungsbereich als auch für hohen Produktionsdurchsatz aller denkbaren Oberflächen- oder 3D-Mikro-Nano-Strukturen zu sehen; für MEMS-Sensoren und der Herstellung von optischen Mikro-Elementen bis hin zur Reparatur von Mikrochips und der Herstellung von Wellenleitern. Altechna hat seinen Sitz in Vilnius, Litauen, und arbeitet eng mit der Laser Nanophotonics Group an der Universität Vilnius zusammen, wo die Anlagen von Aerotech für Forschungszwecke wie etwa der Herstellung von vollständig funktionierenden Mikrolinsen im Größenbereich von 100 μm eingesetzt werden. Diese dreidimensionalen Strukturen ebnen den Weg für integrierte optische Mikro-Schaltkreise in 3D. Außerdem arbeitet Altechna unter Verwendung des Aerotech Nmark SSaM (Synchronisiertes Scanner- und Bewegungsmodul) an vollständig integrierten Galvo-Scannern mit dem Positionierungssystem ANT130. Damit können großformatige Bitmaps kontinuierlich verarbeitet werden, was auch die Laser-Mikrobearbeitung von Strukturen und Mustern ermöglicht, die außerhalb des normalen Sichtfelds eines Galvo-Scanners liegen. Das Femtosekundenlaser-Bearbeitungssystem AltSCA verwendet einen integrierten XY-Tisch niedriger Bauweise der Serie ANT130 XY, der das zu bearbeitende Objekt zustellt, und einen separaten, vertikal montierten Z-Achsen-Tisch für die Laserkopfzustellung. Die Z-Achse ist an der Granitbrückenstruktur befestigt und ihr pneumatischer Ausgleich basiert auf einer Konstruktion, die Aerotech für vorhergehende Generationen von Mikropositionierungstischen entwickelt hat. Der große Granitsockel bietet eine hohe Stabilität für das Positionierungssystem und die komplette Baugruppe einschließlich der gesamten Verkabelung und der Bereitstellung einer Luftversorgung. Die Serie ANT130 hat eine Nennbreite von 130 mm und ist mit Verfahrwegen von 35 mm bis 160 mm mit einer Auswahl von zwei Genauigkeitsklassen bis zu +/- 250 Nanometer erhältlich, um die Anforderungen an hohe oder sehr hohe Präzision zu erfüllen. Die Leistungsmerkmale (Nick-, Gier- und Rollbewegung usw.) sorgen dafür, dass die kombinierte Flachheit, Geradheit, Rechtwinkligkeit, Abbe-Fehler und alle anderen wichtigen geometrischen Spezifikationen die Anforderungen an eine Bearbeitung im Nanobereich für diese Anwendung nicht beeinträchtigen. Zur kompakten Konstruktion gehören Kreuzrollenlager mit Anti-Schlupfregelung und ein zentrumsgetriebener bürstenloser/cogging-freier linearer Servomotor mit einer Encoder-Auflösung von 1 Nanometer. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt bis zu 350 mm pro Sekunde mit einer Beschleunigung auf 1 g. Der berührungsfreie lineare Servomotor mit Encodersystem garantiert eine lange Nutzungsdauer bei geringer Wartung. Der ANT130 mit drei Achsen ist Teil der nano Motion Technology (nMT)-Baureihe für Positionierungssysteme von Aerotech, die aus linearen, rotierenden und goniometrischen Tische besteht, die hervorragende Präzision, schnelle Beschleunigung, hohe Geschwindigkeit und sehr feine Auflösung für die Positionierung im Nanometerbereich bieten. Mit  ihrer Spiel- und Hysteresefreiheit in Kombination mit der sehr schnellen Encodersignalverarbeitung und Echtzeit-Achskalibrierung, stellt die nMT-Baureihe eine Schlüsseltechnologie für viele anspruchsvolle Anwendungen dar, bei denen eine Positionierung über große Bereiche bei hohem Durchsatz gepaart mit Strukturierung im Nanometerbereich erforderlich ist - eine geeignete Lösung für ultraschnelle Laser-Mikromaterialbearbeitung. Die PC-basierte Automationsplattform A3200 von Aerotech ist eine rein softwaregestützte Mehrachsen-Bewegungssteuerung für bis zu 32 Achsen auf der Basis des IEEE-1394 Firewire-Protokoll-Netzwerks, die in Kombination mit den digitalen NDrive Servo-Verstärkern von Aerotech für eine vollständig deterministische, verteilte und kompakt synchronisierte Bewegung und I/O-Steuerung sorgt. Für weitere Funktionen zur Maschinensteuerung, wie zum Beispiel HMI, Vision und SPS, sind zusätzliche Softwareerweiterungen erhältlich. Die flexiblen und leistungsfähigen Eigenschaften der A3200 beinhalten hochentwickelte Befehle wie beispielsweise PSO zusammen mit Diagnose-, Inbetriebnahme- und Programmieroptionen, zu denen die neuesten AeroBASICTM, Visual Basic, C und C++ -Varianten einschließlich Windows-basierter ActiveX-Komponenten mit C++, VB und .NET-Klassenbibliotheken gehören. Für hochpräzise und hochauflösende Anwendungen bevorzugt  Aerotech DSP-basierte lineare Servoverstärker alternativen PWM-Antrieben, um extrem rauscharme und jitterfreie Stabilität zu gewährleisten. Ihre gleichmäßige Stromregelung sorgen außerdem für laufruhige Bewegungen, was für Anwendungen im Sub-Nanometerbereich von entscheidender Bedeutung ist.