DE19953322B4 - Handhabungselement für Kleinteile und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Handhabungselementes für Kleinteile mit folgenden Schritten:
– Bereitstellen von einzeln handhabbaren ebenen Schichtelementen (2-5);
– Modifikation von einem oder mehreren ersten dieser Schichtelemente (2) durch Bilden einer Öffnung, deren Umriß einerseits das Einsetzen der zu handhabenden Kleinteile ermöglicht und ihnen andererseits im eingesetzten Zustand nur eine geringe Bewegungsmöglichkeit im μm-Bereich in der Schichtebene läßt, wobei die ersten Schichtelemente (2) aus einem unnachgiebigen Material gebildet sind, das eine Bewegung der Kleinteile in der Schichtebene verhindert;
– Modifikation eines zweiten dieser Schichtelemente (4) durch Bilden einer Öffnung für die Positionierung und Fixierung der Kleinteile, die Einkerbungen zur Bildung von Laschen aufweist, die ein Aufbiegen der Laschen zum Einsetzen und zur Herausnahme der Kleinteile unabhängig voneinander durch die erweiterte Öffnung ermöglicht;
– Stapeln und Verbinden der ebenen Schichtelemente (2-5), so daß ein Handhabungselement aus übereinander liegenden Schichten entsteht, das die Kleinteile aufnehmen kann.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Handhabungselementes für Klein- und Mikroteile sowie dieses Handhabungselement selbst.
• Klein- und Mikroteile fallen beispielsweise im Bereich der Feinwerk-, Mikrosystem- und Medizintechnik als Bauteile zur Handhabung an. Auch im Bereich der Schmuckindustrie, der Zahntechnik und der Pharmazie, sowie insbesondere in der Mikroelektronik, der Mikrooptik und der Mikromechanik werden Klein- und Mikroteile hergestellt und verarbeitet. Hierbei werden die einzelnen Klein- oder Mikroteile in der Regel in geeigneten Magazinen oder Transportbehältern von einer Verarbeitungsstation zur anderen geführt. Diese Magazine oder auch einzelne Handhabungs- oder Fixierelemente dienen als Hilfsmittel für einen sicheren und zuverlässigen Umgang mit den kleinen Bauteilen während des gesamten Produktions- oder Verarbeitungsprozesses einschließlich des vorausgehenden Transportes.
• Die zunehmende Automatisierung insbesondere in der Feinwerk- und Mikrosystemtechnik macht es erforderlich, daß die zu verarbeitenden Bauteile in geordnetem Zustand vorliegen. Aber auch bei der manuellen Fertigung müssen Bauteile, deren Orientierung beispielsweise aufgrund ihrer kleinen Dimensionen nicht mehr an ihrer Form erkennbar ist, dem Montageprozeß in definiert ausgerichtetem Zustand zugeführt werden. Besonders im Bereich der Serieneinführung von Produkten sind zunächst viele Arbeitsschritte manuell oder teilautomatisiert zu verrichten, bis die Verkaufszahlen eine hohe Automatisierung ermöglichen oder erfordern. Diesen Ablauf sollte ein Magazin oder ein einzelnes Fixier- oder Handhabungselement flexibel unterstützen. Darüber hinaus sollten viele Bearbeitungs- und Kontrollschritte am Bauteil durchführbar sein, ohne dieses aus dem Handhabungselement entnehmen zu müssen. Durch Verwendung einer vorbestimmten Form des Handhabungselementes läßt es sich vermeiden, eine aufwendige Greifer- und Bildverarbeitungstechnik einsetzen zu müssen. Weiterhin wird das Risiko der Bauteilbeschädigung und Bauteilkontamination vermindert, wenn die Bauteile in einem sie schützenden Handhabungselement transportiert und bearbeitet werden. Aufgrund der Vielzahl von Bauteiltypen und Bauteilgeometrien in den verschiedenen der eingangs genannten Anwendungsbereiche sowie der unterschiedlichen Bearbeitungsschritte, welche in den unterschiedlichen Branchen erforderlich sind, muß ein Handhabungselement möglichst flexibel hinsichtlich der Art der Halterung des Bauteils und der Prozeßtauglichkeit sein.
• Für die Handhabung, den Transport und die Bereitstellung von Klein- oder Mikroteilen sind unterschiedliche Verfahren und Handhabungselemente bekannt. Ein Handhabungsverfahren besteht darin, die Kleinteile in sogenannten Trays abzulegen und zu transportieren. Die Trays bestehen aus einem Träger, der mit Taschen versehen ist und mit einem Deckel abgedeckt werden kann. Eine Fixierung der Bauteile wird hierbei nicht erreicht. Die Bauteile sind in unterschiedlichen Kammern vereinzelt und dort frei beweglich. Diese Trays sind vorwiegend für den Transport von Komponenten vorgesehen. Für die automatische Weiterverarbeitung der Einzelteile, beispielsweise in der Fertigung oder Montage, sind zusätzliche Schritte zum Handhaben der Abdeckung sowie der Einzelteile erforderlich. Zur Entnahme der im teilgeordneten Zustand vorliegenden Einzelteile bedarf es hierbei komplexer Greifersysteme, die unter anderem mit einer Bildverarbeitung zur Bestimmung von Orientierung und Lage der Teile ausgestattet sein müssen. Ein weiterer Nachteil dieses Handhabungssystems ist, daß die Klein- oder Mikroteile aufgrund der Gestalt der Taschen nicht von allen Seiten zugänglich sind, so daß bestimmte Fertigungsschritte wie beispielsweise Inspektion oder Reinigung der Teile im Magazin, nicht durchgeführt werden können.
• Ein weiteres bekanntes Verfahren der Handhabung von Klein- oder Mikroteilen besteht im Einsatz sogenannter Gel-Packs oder Foliengurte. Diese sind mit einer Klebeschicht versehen, auf denen die Kleinteile abgelegt und fixiert werden. Die Gel-Packs oder Foliengurte haben allerdings keine starre Struktur und sind daher für die automatische Fertigung nur bedingt geeignet. Da die Position der Teile bei diesem System außerdem nur grob definiert ist, bedarf es zur gezielten Aufnahme sehr kleiner Teile einer zusätzlichen Bildverarbeitungsvorrichtung. Ein weiterer Nachteil, der mit zunehmender Miniaturisierung der Bauteile an Bedeutung gewinnt, sind die am Bauteil zurückbleibenden Klebstoffreste, die eine Anwendung dieses Handhabungsverfahrens in der Mikrosystemtechnik verhindern.
• Aus der EP 0 392 331 A1 ist ein Magazinstreifen für Schmucksteine und andere Kleinteile bekannt, bei dem die Kleinteile oder Schmucksteine durch eine dem jeweiligen zu haltenden Bauteil in der Form exakt angepaßte formstabile Kunststoffolie gehalten werden. Die Folie ist so gefaltet und geprägt, daß Taschen für das Bauteil sowie Haltelippen zur Fixierung des Bauteils entstehen. Die Bauteile können hierbei manuell und automatisiert eingelegt und verarbeitet werden.
• Allerdings ist die Zugänglichkeit der Bauteile aufgrund der sie größtenteils umschließenden Kunststofftaschen nur begrenzt möglich. Zur Herstellung der Foliengeometrie sind außerdem angepaßte Werkzeuge notwendig, welche die jeweils bauteilspezifischen Geometrien erzeugen. Hierdurch ist insbesondere die Anwendbarkeit dieses Systems für kleine und mittlere Stückzahlen aufgrund der dann steigenden Herstellungskosten begrenzt. Ein weiterer Nachteil dieses Systems ist, daß die Skalierbarkeit des Magazins für Bauteile mit Dimensionen im Mikrometerbereich eingeschränkt ist, da die Materialeigenschaften der Haltefolie keine beliebige Verkleinerung beispielsweise der Biegeradien zuläßt. Mit diesem System sind vielmehr nur Bauteilgrößen oberhalb von einem Millimeter handhabbar.
• Ein weiterer Magazinstreifen für Schmucksteine ist aus der DE 41 16 866 A1 bekannt. Dieser Magazinstreifen weist eine Sandwichstruktur auf, die sich aus einer mittleren Weichschaumstoffschicht, einer darüber angeordneten reversibel verformbaren Kunststoffschicht sowie einer unteren reversibel verformbaren Kunststoffschicht zusammensetzt. Aufgrund der inneren weichen Schaumstoffschicht können die Schmucksteine stoßgedämpft und scheuerungsfrei gelagert werden. Die Öffnungen für die Schmucksteine in der Schaumstoffschicht sind dabei kleiner gewählt als der Durchmesser der Schmucksteine, so daß diese zur Verformung des Schaumstoffes eingedrückt werden müssen und dann durch die Rückstellkraft des Schaumstoffmaterials gehalten werden.
• Bei diesem System werden die Bauteile durch den Schaumstoff gepreßt, so daß insbesondere empfindliche Bauteile wie beispielsweise Mikrosysteme mit äußeren Kontakten oder abstehenden Strukturen nicht mit einem derartigen System gehandhabt werden können. Ein weiterer großer Nachteil dieses Systems besteht in der ungenauen Positionierung der einzelnen Bauteile durch die Schaumstoffschicht. Auch mit diesem System lassen sich nur Bauteile oberhalb einer Größe von etwa 1 mm handhaben.
• Aus der DE 195 35 971 A1 ist schließlich ein System bekannt, bei dem ein standardisierter Magazinträger speziell geformte Handhabungselemente aufnehmen kann. Die Form der Handhabungselemente ist in diesem System an die Aufnahmeform des Magazinträgers exakt angepaßt. Die Handhabungselemente weisen hierbei unterschiedliche Befestigungsmittel für die Bauteile sowie eine Schnittstelle zum Magazinträger auf. Die Handhabungselemente selbst werden mittels spanender Verfahren oder Spritzguß hergestellt. Allerdings müssen für unterschiedliche Bauteilgeometrien jeweils unterschiedliche Handhabungselemente gefertigt werden. Dies hat den Nachteil, daß jeweils neue Spritzgußformen oder eine neue aufwendige Fräs- und/oder Drehbearbeitung der Handhabungselemente notwendig sind. Dieses Erfordernis erhöht insbesondere bei nur kleinen bis mittleren Stückzahlen die Kosten, so daß dieses System für den Bereich der kleinen bis mittleren Stückzahlen nicht geeignet ist.
• Die DE 195 00 743 A1 beschreibt einen Packungsträger für Halbleiter-Bauteile, der mehrere übereinander gestapelte Teilkomponenten aus Papier oder ähnlichem Material aufweist. Zumindest eine der Teilkomponenten ist als Schichtelement ausgebildet und mit mehreren Öffnungen für die Aufnahme und Positionierung der Halbleiter-Bauelemente versehen. Eine obere Komponente wird als Deckel aufgebracht, um das Herausfallen der Bauelemente zu verhindern. Ein anderer Packungsträger dieser Druckschrift weist mehrere übereinander gestapelte Schichtelemente auf, von denen eine Fixier- und Positionierschicht das eingesetzte Bauelement über Reibschluss hält.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Handhabungselement für Kleinteile sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Handhabungselementes anzugeben, die eine exakte Positionierung der Kleinteile ermöglichen und gerade für die Handhabung von kleinen und mittleren Stückzahlen mit geringen Kosten realisierbar sind. Das Handhabungselement soll weiterhin auf einfache Weise die Einbindung zusätzlicher Funktionalitäten, beispielsweise für die Reinigung, Prüfung oder Identifikation der aufgenommenen Kleinteile ermöglichen.
• Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und dem Handhabungselement nach Anspruch 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Handhabungselementes sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst einzeln handhabbare Schichtelemente bereitgestellt, die die Grundlage des Handhabungselementes bilden. Durch Modifikation einer oder mehrerer dieser Schichtelemente werden bauteilspezifische Schichten erzeugt. Die Modifikation von einem oder mehreren ersten dieser Schichtelemente erfolgt durch Erzeugen einer Öffnung in den Schichtelementen, deren Umriß einerseits das Einsetzen der zu handhabenden Klein- oder Bauteile ermöglicht und ihnen andererseits im eingesetzten Zustand in der Schichtebene nur eine geringe Bewegungsmöglichkeit im μm-Bereich, vorzugsweise unterhalb von 100 μm, läßt. Diese modifizierten Schichten oder Schichtelemente dienen der Positionierung und gegebenenfalls der Fixierung der eingesetzten Klein- oder Bauteile und werden nachfolgend als Positionierschichten bezeichnet. Das Material dieser als Positionierschichten eingesetzten Schichtelemente ist derart gewählt, daß es eine Bewegung der eingesetzten Bauteile in der Schichtebene verhindert. Es darf sich hierbei also nicht um ein weiches Material wie beispielsweise Schaumstoff handeln. Weiterhin wird ein zweites dieser Schichtelemente durch Bilden einer Öffnung für die Positionierung und Fixierung der Kleinteile modifiziert, die Einkerbungen zur Bildung von Laschen aufweist, die ein Aufbiegen der Laschen zum Einsetzen und zur Herausnahme der Kleinteile unabhängig voneinander durch die erweiterte Öffnung ermöglicht. Schließlich werden die Schichtelemente übereinander gestapelt und miteinander verbunden, so daß ein Handhabungselement entsteht, das die Klein- oder Bauteile aufnehmen kann.
• Das fertiggestellte Handhabungselement besteht hierbei aus einer oberen Fixierschicht, die das Herausfallen der Bauteile nach oben verhindert, zumindest einer Positionierschicht und einer darunter liegenden Auflageschicht, die ein Herausfallen der Bauteile nach unten verhindert. Vorzugsweise weist ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Handhabungselement jedoch noch weitere Schichten, wie beispielsweise Abstandsschichten zwischen den einzelnen Positionier-, Auflage- oder Fixierschichten auf. Weiterhin können einzelne Schichten derart modifiziert werden, daß sie bestimmte Schnittstellenfunktionen zwischen dem in das Handhabungselement eingesetzten Bauteil und einem extern mit dem Handhabungselement verbindbaren oder verbundenen Werkzeug übernehmen können. Beispiele für derartige Schnittstellenfunktionen sind eine elektrische Kontaktierung des Bauteils, beispielsweise mit einem elektrischen Prüfwerkzeug, oder Durchgangs- oder Anschlußöffnungen für ein Reinigungsgerät zum Heranführen einer Reinigungsflüssigkeit an das eingesetzte Bauteil.
• Das erfindungsgemäße Handhabungselement besteht somit aus mehreren übereinander gestapelten Schichten, die einen Hohlraum zur Aufnahme eines Bauteils bilden. Zumindest eine Schicht, die der exakten Positionierung des Bauteils dient (Positionierschicht), ist aus einem unnachgiebigen Material gebildet, das eine Bewegung des Bauteils in der Schichtebene verhindert. Eine weitere Schicht ist derart ausgestaltet, daß sie das Herausfallen des eingesetzten Bauteils aus dem Handhabungselement verhindert.
• Die Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des zugehörigen Handhabungselementes bilden Standardschichtelemente, aus denen Handhabungselemente für eine Vielzahl von unterschiedlichen zu handhabenden Bauteilgeometrien hergestellt werden können. Diese Standardschichtelemente sind einzeln handhabbar. Es handelt sich hierbei daher nicht um aufgedampfte Schichten oder ähnliches, sondern um einzelne Formelemente, beispielsweise aus Kunststoff, die eine ausreichende mechanische Stabilität zur einzelnen Handhabung aufweisen. Durch Modifikation einzelner dieser Standardschichtelemente werden bauteilspezifische Elemente erzeugt. Diese bauteilspezifischen Elemente werden auf die geometrische Form der jeweils zu handhabenden Klein- oder Bauteile angepaßt. Hierbei ist insbesondere von Bedeutung, daß beim Aufbau eines erfindungsgemäßen Handhabungselementes nicht alle Schichten speziell an das zu handhabende Bauteil angepaßt werden müssen, sondern nur einzelne dieser Schichten, wie beispielsweise die Positionierschicht. Die Öffnung der Positionierschicht muß hierbei nicht exakt die Form der einzusetzenden Klein- oder Bauteile aufweisen. Es reicht vielmehr für die Positionierung aus, wenn die Teile durch die Positionierschicht nur an mehreren Punkten berührt werden. Dies erleichtert die Zugänglichkeit der eingesetzten Teile. Weitere Schichten, wie beispielsweise Abstandsschichten oder Deckschichten zum Verhindern des Herausfallens der Bauteile, können für eine Vielzahl von Bauteilgeometrien die gleiche Form aufweisen. Auf diese Weise wird erreicht, daß nicht für jede Bauteilgeometrie ein vollständig neues Handhabungselement speziell mittels Spritzguß oder in sonstiger Weise exakt formangepaßt hergestellt werden muß, sondern daß vielmehr nur einzelne Standardschichtelemente für das Handhabungselement angepaßt werden müssen. Die weiteren erforderlichen Schichten können in großer Stückzahl hergestellt und für eine Vielzahl von Bauteilgeometrien eingesetzt werden.
• Durch die Verwendung von standardisierten Schichtelementen, die beispielsweise bereits eine vorgegebene Größe aufweisen, können die Stückzahlen hoch und die Herstellungskosten pro Element niedrig gehalten werden. Durch die Bereitstellung und Kombination verschiedener Standardschichtelemente und deren Modifikation entsteht ein Baukastensystem zur Herstellung der erfindungsgemäßen Handhabungselemente.
• Da selbst die Anpassung einzelner Schichten an die spezielle Bauteilgeometrie nicht durch Neuherstellung eines speziellen Schichtelementes, sondern lediglich durch Modifikation bereits in großer Stückzahl gefertigter Schichtelemente erfolgen kann, werden die Kosten zusätzlich gegenüber den Verfahren des Standes der Technik erniedrigt.
• Selbstverständlich können die bauteilspezifischen Schichten wie die Positionierschicht auch durch Neuherstellung des entsprechend ausgestalteten Schichtelementes bereitgestellt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die wirtschaftliche Herstellung von kleinen, mittleren und auch großen Stückzahlen, da für die Herstellung der bauteilspezifischen Strukturen der einzelnen Schichtelemente sowohl serielle Verfahren, wie beispielsweise Laserschneiden, als auch Massenproduktionsverfahren eingesetzt werden können. Hierdurch eignet sich das erfindungsgemäße Handhabungselement sowohl für die Prototypen- als auch für die Massenproduktion aus wirtschaftlicher Sicht in vorteilhafter Weise.
• Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Handhabungselementes besteht in ihrer enormen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichsten Anforderungen. Das erfindungsgemäße Handhabungselement ist hierbei insbesondere flexibel hinsichtlich der Art der Bauteilhalterung, der Prozeßtauglichkeit und der Einbindung zusätzlicher Funktionalitäten, wie beispielsweise aktiver Greifer oder elektrischer Testspitzen.
• Das Handhabungselement ist aus mehreren gestapelten Schichten aufgebaut, wobei die Positionierung wie auch die dreidimensionale Fixierung des Bauteils oder auch mehrerer Bauteile durch die Kombination von strukturierten und unstrukturierten Funktionsschichten erreicht wird. So kann eine Fixierung des Bauteils durch eine Kombination von 1 bis n Auflage-, 1 bis n Positionier- und 1 bis n Fixierschichten erreicht werden. Die einzelnen Schichten werden hierbei entweder durch Kraft- oder durch Formschluß miteinander verbunden. So können sie beispielsweise mechanisch geklemmt, geklebt, geschweißt oder gelötet werden. Als Hilfsmittel lassen sich hierbei z.B. Spannmechanismen, Rahmen, Klebemittel oder Klebefolien einsetzen. Die Verwendung einzelner dieser Verbindungstechniken ist dabei selbstverständlich abhängig vom Material der einzelnen Schichten.
• Die Anpassung des Handhabungselementes an komplexe Bauteilgeometrien erfolgt durch entsprechende Strukturierung einzelner Lagen oder Schichten des Handhabungselementes. Durch geeignete Anordnung und Strukturierung können auch Hinterschneidungen erzeugt werden, welche der Fixierung des Bauteils in dem Handhabungselement dienen. Weiterhin können prozeßspezifische Geometrieanforderungen an die Handhabungselemente berücksichtigt werden. Ein Beispiel für eine derartige prozeßspezifische Anforderung ist die Zugänglichkeit des in das Handhabungselement eingesetzten Bauteils für eine Reinigungsflüssigkeit. Hierbei können eine oder alle Schichten des Handhabungselementes so ausgeführt sein, daß Drainageöffnungen vorliegen, aus der die Reinigungsflüssigkeit ablaufen kann.
• Für den Einsatz zur Inspektion muß die Bauteiloberfläche des eingesetzten Bauteils eine größtmögliche visuelle Zugänglichkeit besitzen. Hierfür können einzelne Lagen des Handhabungselementes so strukturiert werden, daß das Bauteil lediglich von der Seite fixiert wird und zusätzliche Öffnungen für die visuelle Zugänglichkeit aufweist.
• Durch Kombination von Schichten aus unterschiedlichen Materialien innerhalb eines Handhabungselementes können spezifische Funktionen innerhalb dieses Elementes erzeugt werden. Hierbei kann das Handhabungselement beispielsweise mit einer Federfunktion ausgestattet werden, indem eine Schicht des Handhabungselementes aus einem weichen elastischen Material gebildet wird. Ebenso lassen sich einzelne Schichten elektrisch leitfähig ausgestalten, indem diese entweder aus elektrisch leitfähigem Material gebildet oder mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet werden. Ein besonderer Vorteil ergibt sich hierbei durch entsprechende Ausgestaltung der Schichten zur Ausführung unterschiedlicher Zusatzfunktionen. So kann das Handhabungselement Funktionsschichten beinhalten, die eine fluidische, pneumatische, elektrische oder datentechnische Schnittstelle zwischen dem aufgenommenen Bauteil oder mehreren aufgenommenen Bauteilen und externen Werkzeugen oder Vorrichtungen herstellen. Dies ermöglicht beispielsweise einen elektrischen Test des eingesetzten Bauteils von außen.
• Die beliebige Kombinations- und Ausgestaltungsmöglichkeit der einzelnen Schichten ermöglicht weiterhin die einfache Anpassung des Handhabungselementes an unterschiedliche Fertigungsprozesse. So kann beispielsweise bei einer Prozessierung oder Bearbeitung der Bauteile durch Schichtabscheidung eine galvanische Beschichtung durch geeignete Ausgestaltung einer Funktionsschicht zur elektrischen Kontaktierung der Bauteile unterstützt werden. Weiterhin lassen sich beispielsweise im Bereich der Schichtabtragungs- und Belichtungsprozesse Maskierungsschichten als Funktionsschichten in das Handhabungselement integrieren, die eine entsprechende Maskierung der Bauteile bei der nachfolgenden Prozessierung vornehmen.
• Die bauteilspezifischen Schichten können eine aktive oder passive Funktion ausüben. So können durch geeignete Ausgestaltung der Öffnung für das Bauteil und gegebenenfalls der Materialien der Schichten bestimmte Positionierfunktionen, wie beispielsweise aktives Greifen, aktives Auswerfen, aktives Spannen oder taktiles Greifen erfüllt werden. Die aktiven Funktionen können hierbei beispielsweise durch Einbringen einer Schicht aus piezoaktiven Material realisiert werden.
• Ein besonderer Vorteil besteht auch in der exakten Positionierung des Bauteils, die durch die Form und Ausgestaltung der Positionierschicht aus einem kompakten, in der Schichtebene unnachgiebigen Material erreicht wird.
• Die Positionierschicht besteht beim vorliegenden Handhabungselement vorzugsweise aus einer Schicht mit einer Dicke ≤ 1 mm. Hierbei können auch mehrere dieser Positionierschichten, vorzugsweise durch Abstandsschichten voneinander beabstandet, vorgesehen sein.
• Die Positionierschicht kann im Bereich der Öffnung mit Einkerbungen versehen sein, die ein Aufbiegen der durch die Einkerbungen entstehenden Laschen zum reibungsfreien Einsetzen und Herausnehmen der Teile ermöglichen. Hierdurch wird die Gefahr der Kontamination oder Beschädigung fragiler Teile beim Einsetzen oder Herausnehmen verringert.
• Das erfindungsgemäße Handhabungselement besitzt hinsichtlich der Variation der Bauteilgeometrien eine hohe Flexibilität, da gegebenenfalls nur einzelne Schichten ausgetauscht werden müssen. So ist es beispielsweise nur erforderlich, die Zahl der Abstands schichten im Handhabungselement zu verändern, wenn lediglich die Bauteilhöhe variiert. Durch Vorsehen einer lösbaren Verbindung zwischen den einzelnen Schichten oder Schichtelementen können die Handhabungselemente zerlegt und für eine andere Geometrie der zu handhabenden Bauteile neu zusammengesetzt werden. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Handhabungselemente auch mehrfach benutzt werden, indem die einzelnen Schichten so ausgestaltet werden, daß sie ein zerstörungsfreies mehrmaliges Beladen und Entnehmen des Bauteils oder der Bauteile ermöglichen.
• Die oben bezeichneten Abstandsschichten, welche die Position der bauteilspezifischen Schichten wie beispielsweise der Positionierschichten zueinander bestimmen, können darüber hinaus als Funktionsschichten ausgestaltet sein, so daß sie Übertragungsfunktionen für fluidische, mechanische und elektrische Signale oder Medien sowie Schnittstellenfunktionen zu externer Anschlußtechnik, wie beispielsweise zu Prüfgeräten, übernehmen können.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Handhabungselementes sowie des zugehörigen Herstellungsverfahrens besteht in der Unabhängigkeit der Außengeometrie des Handhabungselementes – innerhalb eines Größenbereichs – von den zu handhabenden Bauteilen. Die Außengeometrie kann damit in diesem Größenbereich einheitlich gestaltet werden. Dies ermöglicht wiederum die Ausgestaltung als einheitliche oder standardisierte Schnittstelle für Greiferwerkzeuge oder -vorrichtungen. Hierdurch können Standardgreifer und Handhabungseinrichtungen unabhängig von den eingesetzten Bauteilen verwendet werden. Eine derartige Handhabungsschnitt stelle wird durch eine, durch den Verbund mehrerer oder aller Schichten des Handhabungselementes erreicht. Die äußere Form dieser Schichten bildet die äußere Schnittstelle, welche zur Handhabung des Handhabungselementes benötigt wird. Die Ausgestaltung der Handhabungsschnittstelle mit standardisierten Abmessungen ermöglicht die Reduzierung bauteilspezifischer Greifer in der Fertigung. Hierbei ist es zum Teil ausreichend, die obersten Schichten standardisiert auszuführen, so daß sich aufgrund der bauteilunabhängigen Fertigung dieser Schichten bereits eine Reduzierung der Fertigungskosten ergibt. Durch geeignete Wahl des Durchmessers der Schichten lassen sich hierbei auch Nuten oder Stege am äußeren Umfang des Handhabungselementes auf einfache Weise erzeugen. Weitere nach außen wirkende Schnittstellen, im folgenden als Verbindungsschnittstellen bezeichnet, ermöglichen die Verbindung der einzelnen Handhabungselemente untereinander oder mit zusätzlichen Haltevorrichtungen wie beispielsweise Magazinen. Hierdurch wird unter anderem die Bildung von Nutzen ermöglicht, wie sie für die Lagerung und den Transport vorteilhaft sind. Weiterhin kann durch diese Verbindungsschnittstellen, die aufgrund des vorliegenden Schichtaufbaus unabhängig von der Geometrie der zu handhabenden Bauteile – innerhalb eines Größenbereiches – ausgestaltet werden können, der Einsatz von Magazinen ermöglicht werden, wie sie beispielsweise in der DE 195 35 971 A1 mit ihren vorteilhaften Eigenschaften dargestellt sind.
• Während Handhabungsschnittstellen und Verbindungsschnittstellen nach außen wirken, sind innerhalb des Handhabungselementes Bauteilschnittstellen zum einge setzten Bauteil vorgesehen. So bildet beispielsweise die Auflageschicht eine flächige oder unterbrochene Schicht, auf welcher das Bauteil liegt. Die Positionierschicht besitzt Öffnungen oder andere Strukturen, welche das Bauteil in der Schichtebene fixiert. Die Fixierschicht besitzt Strukturen, welche das Bauteil gegen Herausfallen sichert. In Kombination aller Schichten, das heißt insbesondere bauteilspezifischer und Abstandsschichten, wird eine spezifische Fixierung des Bauteils erreicht, welche das Bauteil über Formschluß oder Kraftschluß in seiner Position hält.
• Als besondere Ausführungen einzelner Schichten können bauteilspezifische Positioniermarken vorgesehen werden, die das genaue Greifen und Ausrichten von Bauteilen und Werkzeugen mittels Bildverarbeitung oder anderer Techniken ermöglichen.
• Die Schichten des Handhabungselementes können weiterhin bauteilspezifische Kennzeichnungen aufweisen, so daß die Zuordnung der Schichten zu Funktionen der aufzunehmenden Bauteile möglich wird. Eine derartige Kennzeichnung kann beispielsweise mittels Transponder oder Markierungen, wie einem Dot-Code, an innen liegenden Schichten zur Sicherheit erfolgen.
• Die Materialien und Schichtstärken sind je nach Anforderungen innerhalb des Handhabungselementes beliebig kombinierbar.
• Durch geeignete Ausgestaltung einzelner Schichten mit elektrischen, mechanischen oder fluidischen Funktionen kann über die Primäraufgabe des Handhabens der Bauteile hinaus auch ein Test von Bauteilen durch Integration von mechanischen, elektrischen oder optischen Funktionen in das Handhabungselement sowie zur Losverfolgung und Qualitätskontrolle erfolgen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße Handhabungselement unterstützen in vorteilhafter Weise die manuelle und automatische Fertigung, beispielsweise in der Feinwerk- und Mikrosystemtechnik. Mit dem vorliegenden Handhabungselement ist es je nach Ausgestaltung der eingesetzten Schichten möglich, Klein- und Mikroteile in einem Träger oder Verbund in geordnetem Zustand für die automatische Fertigung bereitzustellen. Die Umhortung von Bauteilen wird durch die Entnahme und Umsortierung der Handhabungselemente mit den darin befindlichen Bauteilen aus einem Magazin, wie dies beispielsweise aus der DE 195 35 971 A1 bekannt ist, ermöglicht. Hierdurch können Standardgreifer verwendet, Bauteilbeschädigungen vermieden und die Gefahr einer möglichen Belastung oder Kontamination der Bauteile reduziert werden. Der Greifer kommt hierbei nie mit dem einzelnen Bauelement in Berührung.
• Durch geeignet ausgestaltete Handhabungs- und Verbindungsschnittstellen sowie aufgrund der in kostengünstiger Weise einsetzbaren Materialvielfalt der einzelnen Schichten der Handhabungselemente wird erreicht, daß der nach der anfänglich durchgeführten Magazinierung erhaltene geordnete Zustand der Bauteile auch in den nachfolgenden Fertigungsschritten, wie zum Beispiel einer Reinigung oder Inspektion beibehalten werden kann. Hierfür war es bisher erforderlich, die einzelnen Bauteile in ein speziell für das jeweilige Fertigungsverfahren ausgestaltetes Magazin umzuladen. Durch die sehr flexible Aufbaumöglichkeit des erfindungsgemäßen Handhabungselementes kann das Bauteil im vorliegenden Falle während einer Bearbeitung oder Reinigung im Handhabungselement verbleiben.
• Die mögliche Standardisierung der Handhabungsschnittstellen des Handhabungselementes erlaubt die Nutzung von vorhandenen Handhabungssystemen aus der Halbleiterfertigung sowie der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Durch die exakte Positionierung der Teile im Handhabungselement und der Möglichkeit, diese in ein geeignetes Magazin einzusetzen, wird erreicht, daß die Bauteile direkt ohne zusätzliche Handhabungsschritte verarbeitet werden können. Der Aufbau des Handhabungselementes kann so erfolgen, daß die freie Entnahme des Bauteils, das heißt die Entnahme ohne Abrieb, mittels eines entsprechenden durchstechenden Werkzeuges durchgeführt werden kann. Hierbei wird die Positionierschicht zur Ausbildung von Greifern geformt, die sich mit einem externen Werkzeug aus der Schichtebene biegen lassen und aufgrund ihrer Elastizität in diese Ebene zurückkehren. Auf diese weise läßt sich ein mit den Greifern festgehaltenes Bauteil auf einfache Weise aus dem Handhabungselement lösen. Das Bauteil kann so beispielsweise direkt auf einen unterhalb des Handhabungselementes – oder eines Magazins, in dem sich das Handhabungselement befindet – liegenden Montagepunkt montiert werden.
• Bei Einsatz des Handhabungselementes in Verbindung mit einem geeignet aufgebauten Magazin, das exakt an die äußere Form des Handhabungselementes angepaßt ist, lassen sich weitere Vorteil erzielen. So können zum einen defekte Teile gleich nach Erkennung aus dem Fertigungsprozeß entnommen werden. Zum anderen kann ein anfallendes defektes Handhabungselement einfach ausge tauscht werden, ohne ein komplett neues Magazin bereitstellen zu müssen. Dies führt zu einer weiteren Kostenreduzierung in der Fertigung und Montage insbesondere von feinwerktechnischen und mikrosystemtechnischen Produkten.
• Das erfindungsgemäße Handhabungselement wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 ein Beispiel für den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Handhabungselementes;
• 2 ein Beispiel zur Demonstration der flexiblen Anpaßbarkeit des Handhabungselementes an unterschiedliche Bauteilgeometrien;
• 3 ein Beispiel für die Integration der Handhabungselemente in Trägersysteme;
• 4 ein Beispiel für die Bildung von Nutzen oder Clustern aus erfindungsgemäßen Handhabungselementen;
• 5 ein Beispiel für die Integration von elektrischen Funktionen in ein erfindungsgemäßes Handhabungselement; und
• 6 ein Beispiel für ein Handhabungselement mit einer speziell ausgestalteten Werkzeugschnittstelle.
• Der Aufbau der nachfolgend dargestellten beispielhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Handhabungselementes basiert grundsätzlich auf der Verbindung mehrerer strukturierter Schichten, die Einzelaufgaben erfüllen und im Verbund zur Fixierung oder Positionierung von Bauteilen dienen.
• 1 zeigt hierbei den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Handhabungselementes. Das zu handhabende Bauteil stellt in diesem Beispiel eine Mikrolinse 1 dar. Diese Mikrolinse 1 liegt in eingesetztem Zustand auf einer Auflageschicht 3 des Handhabungselementes auf. Die Positionierschicht 2 sorgt für eine exakte Positionierung in der Schichtebene. In diesem Fall ist die Öffnung der Positionierschicht exakt an die Querschnittsform der Mikrolinse 1 angepaßt. Als obere Schicht des Handhabungselementes wird eine Fixierschicht 4 eingesetzt, die das Herausfallen der Mikrolinse 1 beim Transport verhindert. Zwischen Positionier- und Auflageschicht 2, 3 sowie zwischen Positionier- und Fixierschicht 2, 4 ist jeweils eine Abstandsschicht 5 vorgesehen, die der Anpassung an die Bauteilhöhe der Mikrolinse 1 dient.
• An dieser Ausführungsform ist zu erkennen, daß lediglich die Positionierschicht 2 und die Fixierschicht 4 speziell an die Bauteilgeometrie angepaßt werden müssen. Die Auflageschicht 3 ist durchgängig ausgestaltet und kann für beliebige Geometrien des eingesetzten Bauteils verwendet werden. Die Abstandsschichten 5 weisen eine derart große Innenöffnung auf, daß sie für eine Vielzahl von Bauteilgrößen verwendet werden können. Für die Herstellung eines derartigen Handhabungselementes können beispielsweise Fixier- und Auflageschicht 4, 3 aus dem gleichen Standardschichtelement, beispielsweise einer flexiblen Kunststoffolie, hergestellt werden. Die Positionierschicht 2 muß aus einem ausreichend kompakten Material bestehen, das eine Bewegung des Bauteils durch Verformung der Positionierschicht 2 in der Schichtebene verhindert. Dies kann beispielsweise eine entsprechende Kunststoffschicht sein.
• Die Standardschichtelemente, die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Handhabungselemente eingesetzt werden, sind vorzugsweise bereits mit einem gitterförmigen Lochraster versehen, das eine einfache und schnelle Strukturierung dieser Schichtelemente ermöglicht.
• Im Ausführungsbeispiel der 1 ist weiterhin ersichtlich, daß durch einfaches Aufbiegen der Fixierschicht 4 eine sehr gute Zugänglichkeit der Bauteiloberfläche erreicht wird. Ebenso können seitliche Öffnungen in der Abstandsschicht 5 vorgesehen sein, die auch ein direktes seitliches Zugreifen auf das Bauteil ermöglichen. In der Figur sind weiterhin schematisch die Bauteilschnittstelle 6, die Schichtschnittstelle 7 sowie die Handhabungs- oder Verbindungsschnittstelle 8 angedeutet.
• Aufgrund des schichtartigen Aufbaus kann mit den Grundelementen des Handhabungselementes wie beispielsweise der unstrukturierten Auflageschichten, jede beliebige Bauteilgeometrie nachgeformt werden. Hierbei kann eine kraft- oder formschlüssige Verbindung geschaffen werden, die das Bauteil während des Transportes oder im Bearbeitungsprozeß zuverlässig fixiert. So zeigt die 2 beispielhaft eine Innen- und Außengeometrie eines erfindungsgemäßen Handhabungselementes 10 für linsenförmige Bauteile 1. Hierbei sind wiederum die Auflageschicht 3, zwei Positionierschichten 2 sowie eine Fixierschicht 4 zu erkennen, die durch Abstandsschichten 5 voneinander getrennt sind. Weiterhin sind in diesem Fall eine obere und untere Schicht 9 zusätzlich vorgesehen, die einerseits dem Schutz des Bauteiles und andererseits der Anpassung des Handhabungselementes an einen Greifer oder eine Magazinöffnung dienen können.
• Wie bereits in Verbindung mit 1 ausgeführt, weisen die Handhabungselemente Handhabungs- und Verbindungsschnittstellen auf, so daß es möglich ist, die Elemente in standardisierte Magazingrundträger einzusetzen, wie dies beispielsweise in 3 angedeutet ist. Derartige Trägersysteme 11 können beispielsweise Magazine, Werkstückträger oder Werkzeuge sein. Die Handhabungselemente können hierbei so ausgestaltet werden, daß eine formschlüssige Verbindung mit dem Trägersystem besteht.
• Darüber hinaus ist es möglich, die einzelnen Handhabungselemente mittels an der Außengeometrie angebrachten Verbindungsschnittstellen zu Clustern oder Nutzen zu verbinden und so der jeweiligen Verarbeitungsstation oder dem jeweiligen Verarbeitungsprozeß zuzuführen. 4 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltungsmöglichkeit derartiger Handhabungselemente.
• In 5 ist schließlich ein Beispiel für ein Handhabungselement angeführt, das Funktionsschichten für eine elektrische Kontaktierung des eingesetzten Bauteiles enthält. Hierbei ist neben der Auflageschicht 3, der Positionierschicht 2, der Fixierschicht 4 und den Abstandsschichten 5 eine Umverdrahtungsschicht 12 aus elektrisch leitfähigem Material zu erkennen, über die die Kontaktierung des eingesetzten Bauteiles von einer äußeren Schnittstelle 14 erfolgen kann. Es handelt sich bei dieser Umverdrahtungsschicht 12 um eine auf die Auflageschicht 3 und die Fixierschicht 4 aufgedampfte und strukturierte elektrisch leitfähige Schicht. Die Schichten unterschiedlicher Schichtebenen können hierbei durch Kontaktlöcher 13 miteinander verbunden werden. Die Abbildung zeigt weiterhin eine Busstruktur 15 zur Kontaktierung der Schichten untereinander. Die an der Fixierschicht 4 angebrachte elektrische Schnittstelle für Prüfzwecke kann in standardisierter Form ausgeführt werden. Das beispielhaft angeführte Halteelement ermöglicht beispielsweise die elektrische Prüfung der Funktion des eingesetzten Bauteiles.
• Ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Handhabungselementes zeigt 6. Hier wird neben der bauteilspezifischen Positionierschicht 2 und entsprechenden Abstandsschichten 5 eine bauteilspezifische Vakuumschnittstelle 16 am Handhabungselement gebildet. Diese Vakuumschnittstelle 16 weist in diesem Beispiel zwei Durchgangsöffnungen zur Erzeugung eines Vakuumkanals zum Bauteil 1 auf. Ebenso ist eine weitere Schicht 18 als Vakuumschnittstelle zum Greifer selbst vorgesehen. Zwischen den beiden die Schnittstellen bildenden Schichten 16, 18 befindet sich eine Umverteilungsschicht 17, die die Verbindung der entsprechenden Vakuumkanäle zwischen Greifer und Bauteil herstellt. Der Greifer selbst weist in diesem Beispiel eine universelle Greiferschnittstelle 19 auf, die an einem Positioniersystem 20, wie beispielsweise einem Roboter, angebracht sein kann.
• Die Ausgestaltung des Handhabungselementes erfordert in diesem Beispiel lediglich die entsprechende Ausgestaltung der oberen Schichten als Anpassung an die entsprechenden Vakuumgreifer. Die unteren Schichten, das heißt insbesondere die Positionierschicht 2 und die Abstandsschichten 5 können unabhängig vom verwendeten Handhabungswerkzeug ausgestaltet werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung eines Handhabungselementes für Kleinteile mit folgenden Schritten: – Bereitstellen von einzeln handhabbaren ebenen Schichtelementen (2-5); – Modifikation von einem oder mehreren ersten dieser Schichtelemente (2) durch Bilden einer Öffnung, deren Umriß einerseits das Einsetzen der zu handhabenden Kleinteile ermöglicht und ihnen andererseits im eingesetzten Zustand nur eine geringe Bewegungsmöglichkeit im μm-Bereich in der Schichtebene läßt, wobei die ersten Schichtelemente (2) aus einem unnachgiebigen Material gebildet sind, das eine Bewegung der Kleinteile in der Schichtebene verhindert; – Modifikation eines zweiten dieser Schichtelemente (4) durch Bilden einer Öffnung für die Positionierung und Fixierung der Kleinteile, die Einkerbungen zur Bildung von Laschen aufweist, die ein Aufbiegen der Laschen zum Einsetzen und zur Herausnahme der Kleinteile unabhängig voneinander durch die erweiterte Öffnung ermöglicht; – Stapeln und Verbinden der ebenen Schichtelemente (2-5), so daß ein Handhabungselement aus übereinander liegenden Schichten entsteht, das die Kleinteile aufnehmen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere zweite Schichtelemente als Abstandsschichten (5) zwischen anderen Schichtelementen (2-4) eingesetzt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Schichtelemente weiterhin derart modifiziert werden, daß sie bestimmte Schnittstellenfunktionen zwischen einem in das Handhabungselement eingesetzten Kleinteil und einem extern mit dem Handhabungselement verbindbaren Werkzeug übernehmen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Modifikation durch Aufbringen und Strukturieren einer elektrisch leitfähigen Schicht (12) erfolgt, die eine elektrische Kontaktierung der eingesetzten Kleinteils ermöglicht.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Modifikation durch Bilden von Öffnungen, Kanälen oder Vertiefungen in den Schichtelementen erfolgt, die im fertigen Schichtaufbau eine fluidische und/oder pneumatische Verbindung zum eingesetzten Kleinteil ermöglichen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Umrißform von einem oder mehreren der bereitgestellten Schichtelemente einer standardisierten Umrißform als Schnittstelle für bestimmte Handhabungswerkzeuge oder Magazine entspricht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gestapelten Schichtelemente lösbar miteinander verbunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gestapelten Schichtelemente zusammengeklemmt werden.
9. Handhabungselement für Kleinteile aus mehreren übereinander gestapelten ebenen Schichten (2-5), die einen Hohlraum zur Aufnahme eines Kleinteils bilden, und von denen – zumindest eine erste Schicht (2), die zur Positionierung des Kleinteils dient, aus einem unnachgiebigen Material gebildet ist, das durch Formschluss eine Bewegung des Kleinteils (1) in der Schichtebene verhindert, – eine zweite Schicht (4), die zur Positionierung und Fixierung des Kleinteils dient, eine Öffnung aufweist, die mit Einkerbungen zur Bildung von Laschen versehen ist, die ein Aufbiegen der Laschen zum Einsetzen und zur Herausnahme des Kleinteils (1) unabhängig von anderen Kleinteilen durch die erweiterte Öffnung ermöglichen; und – eine weitere Schicht (3) das Herausfallen des eingesetzten Kleinteils in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene verhindert, wobei die zumindest eine erste Schicht (2) zwischen der zweiten (4) und der weiteren Schicht (3) angeordnet ist und wobei die Öffnung der ersten Schicht (2) so dimensioniert ist, daß den Kleinteilen im eingesetzten Zustand nur eine geringe Bewegungsmöglichkeit im μm- Bereich in der Schichtebene bleibt.
10. Handhabungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne der Schichten (2-4) durch Abstandsschichten (5) voneinander beabstandet sind.
11. Handhabungselement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Schicht (2), die zur Positionierung des Kleinteils (1) dient, eine Schichtdicke von ≤ 1 mm aufweist.
12. Handhabungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten (2) vorgesehen sind, die zur Positionierung des Kleinteils (1) dienen.
13. Handhabungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Schichten (3, 4) derart ausgestaltet sind, daß sie bestimmte Schnittstellenfunktionen zwischen einem in das Handhabungselement eingesetzten Kleinteil und einem extern mit dem Handhabungselement verbindbaren Werkzeug übernehmen.
14. Handhabungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Schichten Öffnungen, Kanäle oder Vertiefungen aufweisen, die im fertigen Schichtaufbau eine fluidische und/oder pneumatische Verbindung zum eingesetzten Kleinteil ermöglichen.
15. Handhabungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Schichten (3, 4) eine strukturierte elektrisch leitfähige Schicht (12) tragen, die eine elektrische Kontaktierung des eingesetzten Kleinteils ermöglicht.
16. Handhabungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Schichten Öffnungen aufweisen, die eine visuelle Zugänglichkeit eines eingesetzten Kleinteils gewährleisten.
17. Handhabungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der gestapelten Schichten lösbar miteinander verbunden sind.
18. Handhabungselement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gestapelten Schichten zusammengeklemmt sind.