Theses

Feinwerktechnische Geräte mit höchsten Anforderungen an die Präzision werden zur Abschirmung von Störgrößen oft unter Vakuumbedingungen betrieben. Massekomparatoren, Nanopositionier- und Nanomessmaschinen, Halbleiterfertigungseinrichtungen, wissenschaftliche Experimentalaufbauten, etc. können als Beispiele aufgeführt werden. Hochreproduzierbare Bewegungen werden in diesen Maschinen vermehrt durch den Einsatz von monolithisch hergestellten nachgiebigen Mechanismen ermöglicht. Zur Funktionserfüllung kann bei diesen Präzisionsanwendungen eine Justierung erforderlich sein. Um hohe Justierauflösungen zu erreichen, werden die Justiergetriebe in der Regel durch Schraubengetriebe realisiert. Diese Justierung erfolgt möglichst im Vakuum, um das Gerät im Betriebszustand zu justieren. Als Beispiel ist hier die Justierung hochpräziser Wägezellen mit elektromagnetischer Kraftkompensation zu nennen, bei denen Trimmgewichte über ein Schraubengetriebe in ihrer vertikalen Lage positioniert werden. Die rotatorische Antriebsbewegung des Justiergetriebes bewirkt jedoch ein parasitäres Reaktionsmoment. Dieses Reaktionsmoment stützt sich über das Gestell ab. Mechanisch empfindliche Bauteile im Kraftfluss können leicht überlastet und die Funktion des Gerätes gestört werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Antriebskonzept entwickelt, welches das eingeleitete Drehmoment mithilfe eines Gegendrehmomentes und geeigneter Koppelstellen kompensiert. Unter Verwendung der systematischen Vorgehensweise des Konstruktiven Entwicklungsprozess wird ein Technischer Entwurf als Basis zur Realisierung eines Prototyps entwickelt. Die Baugruppe ermöglicht die Einleitung eines Nenndrehmomentes von 300 Nmm zum Aktuieren der Justiereinrichtung, bei einer Auflösung von 0,35˚. Die parasitären Reaktionsmomente werden unabhängig vom Nenndrehmoment auf nur 0,25 Nmm reduziert. Die mechanische Ein- und Auskopplung der Justiervorrichtung sowie die Betätigung des Justiergetriebes erfolgt dabei lediglich durch einen Antrieb. Beim Entwicklungsprozess wurde das Reaktionsmoment arme Anziehen von Schrauben als zweite Anwendungsmöglichkeit berücksichtigt. Diese lässt sich durch das Einbringen eines Antriebs mit einem größeren Nenndrehmoment realisieren.

Kinematische Kopplungen bieten in hochpräzisen Anwendungen die Möglichkeit, zwei Objekte mit einer hohen Reproduzierbarkeit zueinander zu positionieren. Diese werden künftig in den an der Technischen Universität Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschinen für den reproduzierbaren Sensorwechsel eingesetzt. Aufgrund von Fertigungs- und Montagetoleranzen weicht der Sensormittelpunkt vom Abbe-Punkt der Maschine ab. Um diese Genauigkeit zu verbessern, wird in dieser Arbeit eine justierbare kinematische Kopplung entwickelt. Bisher waren die justierbaren kinematischen Kopplungen für den einen Bewegungsbereich in der Größenordnung von einigen Mikrometern räumlich sehr ausladend, weshalb ein Einsatz in der Nanopositionier- und Messmaschine (NPMM) nicht möglich ist. Auf Grundlage der technischen Rahmenbedingungen der NPMM erfolgt zunächst die Präzisierung der Aufgabenstellung. Im weiteren Verlauf wird der aktuelle Stand der Technik durch eine Literaturrecherche hinsichtlich der Justierung und NPMM dargestellt. Eine Bewegungsanalyse, in welcher der Zusammenhang zwischen eingeleiteter und Abtriebsbewegung untersucht wird, bildet die Basis für die einzelnen Prinzipe mit dem Ziel einer unabhängigen Justierung. Es konnten zwei finale Prinzipe mittels nachgiebiger Mechanismen erarbeitet werden. Eine Auswahl eines konventionellen Übertragungsgetriebes kam nicht in Frage, da diese nicht den Anforderungen an Bauraum und Spielfreiheit genügten. Somit ist die entwickelte Justiereinrichtung aus einer ineinander gestaffelten Parallelfederanordnung für die Justierung in X- und Y- Richtung und einer Abstandsveränderung der V-Nut-Hälften für die Z-Bewegung aufgebaut. Innerhalb dieser Arbeit konnten alle Anforderungen an den Bauraum, den Bewegungsbereich und die Feinfühligkeit 1000 erfüllt werden. Zukünftige Anpassungen und weitere Anwendungen bilden den Abschluss der Arbeit.

Der aktuelle Stand der Technik der Lithographie in der Halbleiterindustrie behandelt die Nutzung von extrem ultravioletter Strahlung (EUV), welche von Plasma emittiert wird, welches durch die Anregung von verdampften Zinn Tropfen erzeugt wird. Die Fa. ASML hat diesen zukunftsweisenden Technologieschritt mit ihren NXE Maschinen erreicht. Jedoch bedingte diese Errungenschaft erhöhte Anforderungen an fast jeden Systemteil. Dies hat zu komplexen Konstruktionen von Untersystemen, wie der "Source", geführt, welche den Hochleistungslaser beinhaltet, der für das verdampfen der Zinn Tropfen benutzt wird. Die Steuerung des Lasers erfolgt mittels einer Anordnung von Spiegeln. Einer dieser Spiegel operiert, unter Vakuumbedingungen, mit einem Freiheitsgrad von drei. Die derzeitige Konstruktion des Spiegels ist anfällig für Verschleiß, welcher zu ungeplanten Stillstand der Maschine führen kann. Aufgrund der hohen Produktionsvolumen in der Halbleiterindustrie haben diese ungeplanten Stillstände große ökonomische Auswirkungen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Zustandsüberwachungssystems, welches zuverlässig den Zustand des Aktors, der den Spiegel steuert, überwachen und voraussagen lässt. Dies wird erreicht indem zunächst der aktuelle Stand der Technik in der Zustandsüberwachung erläutert wird. Anschließend werden die vorgestellten Methoden anhand gewählter Kriterien bewertet. Als Machbarkeitsnachweis wird ein Model entwickelt, welches auf einer Analyse von vorhandenen Messdaten aufbaut. Weiterführend werden Verbesserungen des aktuellen Aktors und Konzeptideen für einen neuen Aktor präsentiert, welche die Komplexität und den Verschleiß reduzieren oder eliminieren. Zum Abschluss der Arbeit werden die Schlüsse, die aus der zuvor durchgeführten Analyse gezogen werden können, diskutiert und mögliche Verbesserungen des Zustandsüberwachungsmodels präsentiert.

Ziel und Zweck der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, für eine konkrete Anwendung bei geringem Bauraum in einer Präzisionspositioniermaschine sinnvolle Prototypenparameter für eine aerostatische Buchsenführung zu finden. Die Auslegung dieser Führung erfolgt mittels FEM-Simulationen. Hierzu werden zwei verschiedene Arten aerostatischer Führung verglichen. Die eine drosselt den Massestrom der Luftzuführung mittels eines porösen Mediums, während die andere Variante Mikrodüsen verwendet. Es werden FEM-Modelle erstellt. Diese werden ausführlich beschrieben, qualitativ untersucht und im Hinblick auf Berechnungseffizienz optimiert. Daraufhin werden die FEM-Modelle durch quantitativen Vergleich mit den Berechnungsergebnissen vereinfachter Modelle sowie mit kommerziellen Produkten und in der Literatur vorhandenen Auslegungsformeln verglichen und validiert. Nach dieser Plausibilitätsprüfung werden die Auslegungsdimensionen sinnvoll reduziert. Es werden die Parameter Steifigkeit, Stabilität und Tragkraft über die in der Aufgabenstellung gegebenen geometrischen Intervalle untersucht und verglichen. Weiterhin wird für die empirische Verifikation der Modelle ein erstes Funktionsprinzip eines Prüfstandes erstellt.

Die Anforderungen an die Präzisionswägetechnik nehmen stetig zu. In diesem Zusammenhang sind monolithischen Wägezellen mit elektromagnetischer Kraftkompensation von hoher Relevanz. Für hochpräzise Massevergleiche werden die Wägezellen in Vakuumkammern betrieben, um Störeinflüsse durch die Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren. Für den Ausgleich von Fertigungstoleranzen und das Erreichen der gewünschten Empfindlichkeit ist eine Justierung des Mechanismus der Wägezelle unumgänglich. Dafür ist es notwendig, Trimmgewichte hochauflösend in vertikaler Richtung zu bewegen. Nach dem Justiervorgang muss das Trimmgewicht in seiner Position fixiert und jeglicher Kontakt zur Umgebung verlässlich unterbrochen werden. In dieser Arbeit werden die genauen Anforderungen für eine Justiereinheit erarbeitet, die eine automatisierte In-situ Justierung innerhalb einer Vakuumkammer ermöglicht. Darauf aufbauend wird in einem konstruktiven Entwicklungsprozess auf Prinzipebene eine Lösung erarbeitet und ein Prototyp entwickelt. Dieser wird daraufhin gefertigt und montiert. Es erfolgt eine kurze Testphase, in der mittels Autokollimationsfernrohr die theoretisch errechnete Auflösung mit Messwerten verifiziert wird. Abschließend werden entstandene Abweichungen vom idealen Verhalten der Justiereinheit diskutiert.