Start-up-Firmen – Elliptec Resonant Actuator AG
Geräuschlose Präzision
Präzise, preiswert, leicht und lautlos: Björn Magnussen hat es geschafft. Seine Minimotoren mit Piezoantrieb haben beste Chancen auf dem Weltmarkt.
Der Minimotor sieht aus wie ein Schlüssel aus Aluminium mit Stahlfeder sowie zwei Anschlussdrähten zur Stromversorgung. Eingebaut in eine Modelleisenbahn (links) sorgt der Piezoantrieb für fließende Bewegungen des Stromabnehmers
Die Besucher der diesjährigen Nürnberger Spielwarenmesse machten große Augen. Der Grund: Eine neue Spielzeuglok, die ihren Stromabnehmer ganz naturgetreu heben und senken kann. Verursacher der fließenden Bewegung ist ein leichter Minimotor mit Piezoantrieb. Revolutionär ist: Er kostet nicht mehr als ein herkömmlicher Elektromotor, arbeitet aber ungleich präziser und zudem lautlos. "Unsere piezoelektrischen Motoren besitzen weder Rotor noch Getriebe. Da beim Bremsen kein Rotorschwung abgebaut werden muss, kommen sie nach dem Ausschalten 60-mal schneller zum Stehen als Elektromotoren. Ihr Bremsweg ist sogar 2000-mal kürzer", sagt Dr. Björn Magnussen, Vorstandsvorsitzender der im Januar 2001 gegründeten Elliptec Resonant Actuator AG in Dortmund.
Fließende Bewegung dank kontrollierter Schwingungen
Die Steuerung des Elliptec-Motors besticht durch ihre Einfachheit. Ein Mikrocontroller sowie ein einziger Transistor genügen, um die Piezokeramik mit elektrischer Spannung zu versorgen, woraufhin diese sich um weniger als 1 µm ausdehnt. Bleibt die Ansteuerspannung aus, zieht sie sich wieder zusammen (Piezoeffekt). Je nach Anwendung findet dieses Wechselspiel von Ausdehnen und Zusammenziehen des Piezoelements zwischen 50 000 und 100 000-mal pro Sekunde statt. Die schnelle Vibration überträgt sich auf den – wie einen Schlüssel geformten – Resonator und versetzt ihn in Schwingung. Seine Bewegung gleicht derjenigen einer angestoßenen Stimmgabel. Die ausgeklügelte Konstruktion bewirkt, dass die Resonatorspitze ellipsenförmige Antriebsbewegungen ausführt – daher auch der Firmenname, Ellip wie Ellipse und Tec wie Technologie. Die am Motor befestigte Stahlfeder drückt die Spitze an das anzutreibende Element und sorgt so dafür, dass dieses bewegt wird. Stück für Stück – jeweils zwischen 0,5 und 2 µm – schiebt die Spitze z.B. einen Kunststoffstab vor oder zieht ihn zurück.
Obwohl der Stab mit jedem Schub nur wenige Mikrometer bewegt wird, ergeben sich durch die rasant schnelle Wiederholung Geschwindigkeiten von 15 cm/s und mehr. Bei einem Elektromotor dagegen lassen sich langsame Bewegungen nur schwer elektrisch steuern. Denn der Motor dreht sich zunächst gar nicht und fährt dann gleich mit einer gewissen Geschwindigkeit los – daher die kleinen, kaum sichtbaren ruckartigen Bewegungen von Elektromotoren. Im Gegensatz dazu kann sich der Piezomotor ganz langsam, gleichmäßig und zudem lautlos bewegen – die Mikrometer-Schrittweite ergibt quasi-fließende Bewegungen. Bemerkenswert ist, dass nicht nur der Minimotor, sondern auch die Maschine, die zwei der drei Motorbauteile zusammensetzt (Piezokeramik und Resonatorrahmen), eine komplette Eigenentwicklung der derzeit zwölf Mitarbeiter starken Start-up-Firma ist. Im ersten Produktionsschritt wird das Herzstück, eine etwa 0,5 cm lange, vielschichtige Piezokeramik von EPCOS, automatisch in den 2 cm langen Aluminiumresonator eingesetzt. Wie genau, ist Betriebsgeheimnis. Stahlfeder und Anschlussdrähte werden heute noch in Handarbeit am Motor befestigt. Doch auch diese Prozesse will Elliptec künftig automatisieren, zum Teil in Eigenregie.
Doch der Miniantrieb ist nicht nur für Modelleisenbahnen, rollende Augen und wackelnde Ohren von animierten Bären, Puppen und Plastikhündchen prädestiniert. Vielmehr soll er künftig auch in ganz anderen Branchen seine Feinarbeit verrichten, generell überall dort, wo Kleinteile mit wenig Kraftaufwand zu bewegen sind. "Ob Haushaltsgeräte, Fotokameras, Drucker, CD-Laufwerke, medizin- oder automobiltechnische Anwendungen, der Fantasie sind kaum Grenzen gesetzt", meint Magnussen enthusiastisch.
Gänzlich neu sind Piezomotoren zwar nicht – schon seit einigen Jahren sind sie z.B. in der Chipfertigung im Einsatz. Doch ihr Preis von bis zu 400 € stand einer weitläufigen Verbreitung bislang im Weg. Positioniersysteme mit Piezomotoren für Mikroskope können sogar über 5000 € kosten. Erst in der Zusammenarbeit von Entwicklern bei Siemens, EPCOS und Elliptec ist es gelungen, Konstruktion, Bauteile und Herstellung drastisch zu vereinfachen und so den Stückpreis auf 2 bis 4 € zu drücken. "Ein Preis, mit dem wir den Herstellern von Elektromotoren bald erhebliche Marktanteile wegnehmen werden", ist Magnussen überzeugt.
Schon während seiner Beschäftigung bei Siemens Corporate Technology (CT) galt Magnussens Interesse speziell den Piezokeramiken. Mit seiner Idee, auf Basis einer bei CT ausgetüftelten neuen Piezotechnologie einen preiswerten, massentauglichen Motor zu entwickeln, nahm er an einem internen Businessplan-Wettbewerb teil. Und gewann einen Aufenthalt am Siemens Technology-to-Business Center (TTB) im kalifornischen Berkeley, USA. "Das war für mich die große Chance, meine Projektidee weiterzuverfolgen und umzusetzen", so Magnussen. Das TTB half nicht nur bei der Zusammenstellung eines Forscherteams, sondern übernahm auch die Personalkosten und stattete das Labor aus. "Auch auf Gebieten wie Businessentwicklung, Patentierung oder Unternehmensgründung wurden wir umfassend geschult und unterstützt."
Nach eineinhalb Jahren Aufenthalt in Berkeley kehrte der heute 35-Jährige nach Deutschland zurück. Im Gepäck hatte er nicht nur erste Prototypen, sondern auch fünf Mitarbeiter des TTB. Dies waren so überzeugende Argumente, dass er zur Firmengründung 3 Mio. € Risikokapital bekam, je zur Hälfte getragen von der in Köln ansässigen Intelligent Venture Capital GmbH und der Bonner Technologiebeteiligungsgesellschaft. Siemens hält gegenwärtig 24,9 % der Unternehmensanteile.
"Unser Technologievorsprung beträgt mindestens zwei Jahre – so dass uns niemand so schnell einholen kann", sagt Magnussen selbstbewusst. Die erste Serienfertigung der Minimotoren ist im Juni dieses Jahres bei der Ceramics GmbH in Redwitz – einer hundertprozentigen Siemens-Tochter – angelaufen. Derzeit sind die Stückzahlen noch gering. Doch Aufträge aus der Spielzeug- oder Automobilindustrie könnten sie schnell in Millionenhöhe katapultieren.
Ulrike Zechbauer