Mechanische Verbindungen zum Aufbau optischer Hochleistungssysteme. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: XVI, 162 S., 13,31 MB). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion ; 19) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
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Optische Technologien gelten als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Die Vielfalt an optischen Systemen und die Anforderungen an diese Systeme nehmen stetig zu und machen deshalb eine kontinuierliche Entwicklung unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten notwendig. Die Herstellung optischer Systeme erfolgt in der Regel in mehrstufigen Prozessen. Wichtige Prozessschritte sind das Verbinden optischer Bauelemente mit mechanischen Bauelementen und das Verbinden bereits gefasster optischer Bauelemente zu optischen Systemen. Die vorliegende Arbeit zeigt den aktuellen Entwicklungsstand bei der Umsetzung dieser Verbindungsaufgaben anhand von optischen Hochleistungssystemen auf und stellt anschließend Möglichkeiten für eine Weiterentwicklung vor. Die dargestellten Betrachtungsweisen sind ebenso wie die aufgezeigten Lösungsräume allgemein auf die Gestaltung von mechanischen Verbindungen übertragbar und bieten besonders für feinwerktechnische Anwendungen Vorteile.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000489
Konzeption und konstruktive Gestaltung der Messkreise von Nanomessmaschinen. - Münster : Monsenstein und Vannerdat, 2010. - XIII, 164 S. : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
ISBN 978-3-86991-194-6
Nanomessmaschinen dienen zur nanometergenauen Messung von geometrischen Gestaltparametern. Sie sind in verschiedenen Bereichen der Nanotechnologie und Nanoelektronik einsetzbar. Oftmals sind die Messbereiche auf einige Mikrometer bis Millimeter begrenzt, jedoch verlangen neue Anwendungen Nanomessmaschinen mit immer größeren Messbereichen und immer kleineren Messunsicherheiten. Ein wichtiger Bestandteil bei deren Entwicklung ist die Konzeption und konstruktive Gestaltung der Messkreiselemente und insbesondere des Messrahmens. Dafür werden dem Entwickler von Nanomessmaschinen eine Vorgehensweise und Richtlinien zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe einer Messkreisstruktur und eines vektoriellen Messkreismodells können Abweichungen der Messkreiselemente analysiert werden. Um diese klein zu halten werden verschiedene Maßnahmen bei der Konzeption und konstruktiven Gestaltung diskutiert. Anhand eines Messrahmens für eine Nanomessmaschine mit kartesisch-horizontaler Messanordnung wird der konstruktive Entwicklungsprozess gezeigt. Ausgehend von einer universell nutzbaren Kombinationstabelle werden Prinzipvarianten erarbeitet. Anschließend erfolgen eine Variantenauswahl und die Umsetzung der gewählten Variante. Eine theoretische Untersuchung des Fehlerverhaltens mit Hilfe des erarbeiteten messkreisbezogenen vektoriellen Modells bestätigt die Tauglichkeit der Lösung. Mit der kartesisch-tetraederförmigen Messanordnung ist es möglich, das Konstruktionsprinzip der Symmetrie auch für den Messrahmen konsequent einzuhalten. Dies ermöglicht die passive Kompensation von Abweichungen. Zunächst werden die Grundlagen zur Abschätzung der Messunsicherheit der Interferometer mit Hilfe einer Koordinatentransformation geschaffen und angewendet. Anschließend erfolgt der Entwurf eines Messrahmens mit kartesisch-tetraederförmiger Messanordnung. Im Ergebnis entsteht ein "Dreibein"-Messrahmen, dessen Fehlerverhalten untersucht wird. Den Abschluss bildet eine Gegenüberstellung der kartesisch-horizontalen und der kartesisch-tetraedrischen Messanordnung für planare und dreidimensionale Messobjekte hinsichtlich funktioneller, metrologischer und konstruktiver Kriterien. Daraufhin werden allgemeine Schlussfolgerungen für die Auswahl der optimalen Messanordnung gezogen.
Grundlegende Untersuchungen zu vertikalen Positioniersystemen für Nanopräzisionsmaschinen. - Münster : MV-Wiss., 2010. - 200 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2010
In dieser Arbeit werden technische Realisierungsmöglichkeiten zur Lösung der Nanopositionieraufgabe konzipiert und die Auswirkungen der Eigenschaften passiver mechanischer Funktionselemente auf diese Anwendung anhand von Demomstratoren untersucht. Die funktionelle Anforderung an die geforderten Systeme ist die Positionierung von Funktionsflächen makroskopischer Objekte innerhalb eines Stellbereiches geometrisch gleicher Größenordnung mit Nanometerpositioniergenauigkeit. Es werden Gesamtkonzepte unter der Voraussetzung der Anwendung eines interferometrischen Messverfahrens entwickelt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf solchen Anordnungen, welche eine vertikal wirkende Antriebsachse als autarkes und dadurch einzeln betrachtbares Modul beinhalten. Die Besonderheit der vertikalen Antriebsrichtung ist die notwendige aktive Wirkung gegen die Schwerkraft. Um Aktuatoren geringer Verlustleistung für den Zweck der Nanopositionierung einsetzen zu können, werden diese in Grob-/Feintriebanordnungen kombiniert. Diese Antriebsvariante findet Anwendung in der Realisierung von zwei Demonstratoren. Dabei dient der erste Versuchsaufbau dem grundsätzlichen Funktionsnachweis der Nanopositionierung anhand eines durch das gewählte Messverfahren begründeten Spiegelobjekts. Der zweite Demonstrator stellt eine funktionelle Weiterentwicklung des Vorgängers hinsichtlich erweiterten Bewegungsvermögens zur aktiven Führungsfehlerkompensation und Feinpositionierung in horizontaler Richtung dar, dient aber durch seine gut analysierbare Gestaltgebung primär der Erfassung des Einflusses von Deformationen passiver, mechanischer Funktionselemente auf das Positionierverhalten. Die Betrachtung erfolgt mittels Modellbildung, in welche die konstruktiv eingestellten Elastizitäten der im Antriebsstrang enthaltenen konstruktiven Komponenten einfließen. Die Funktion der passiven Konstruktion lässt sich losgelöst von allen weiteren Elementen eines Positioniersystems und deren Anteil im Positionierergebnis simulieren, wodurch die durch die Mechanik gegebenen, funktionellen Eigenschaften und erreichbare Leitungsfähigkeit eines Nanopositioniersystems im dynamischen Betrieb erkennbar werden. Im Ergebnis entsteht ein Erkenntnisgewinn über den Zusammenhang der Konstruktion von Positioniersystemen nach feinwerktechnischen Gesichtspunkten und der zu erwartenden Funktionserfüllung in der Nanopositionierung.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen an ebenen aerostatischen Gaslagerelementen unter Hochvakuumbedingungen. - Göttingen : Cuvillier, 2007. - IX, 166 S. : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2007
ISBN 978-3-86727-470-8
Die Arbeit präsentiert Ergebnisse theoretischer und experimenteller Grundlagenuntersuchungen an ebenen rotationssymmetrischen Gaslagerelementen, die unmittelbar in einer Hochvakuumumgebung eingesetzt werden können. Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Entwicklung hochvakuumtauglicher Gasführungen zu leisten. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Düsenlagerelemente mit Mikroverteilerkanälen und poröse Lagerelemente. In die Lagerelemente integrierte Dichtsysteme führen das zur Ausbildung des tragenden Schmierfilmes benötigte und kontinuierlich einströmende Gas nahezu vollständig wieder ab. Durch die Absaugung des Gases findet im tragenden Gasfilm ein Übergang von der Kontinuumsströmung zur Molekularströmung statt. Zur Dimensionierung der Lagerelemente wird ein einfaches numerisches Modell entwickelt, dass durch die Berücksichtigung dieses Übergangs die Auslegung der Lagerelemente für einen beliebigen Umgebungsdruck ermöglicht. Auch zur Auslegung des Dichtsystems werden umfangreiche Berechnungswerkzeuge bereitgestellt. Es wird gezeigt, inwieweit sich die Charakteristiken beider Lagerelementarten durch das Dichtsystem und die Vakuumumgebung im Vergleich zum Einsatz unter Normalatmosphäre verändern. In einer Gegenüberstellung werden für beide Lagerelementarten im Hochvakuum bei 10^{-7} mbar gute Trageigenschaften und sehr geringe Leckraten <0,3 ælN/min nachgewiesen. Die theoretischen Ergebnisse werden dabei sehr gut durch die experimentellen Untersuchungen bestätigt. Für beide Lagerelementarten werden Möglichkeiten zur Optimierung der statischen Eigenschaften analysiert, die sich aus einer Modifikation der Drosselparameter bzw. durch den Einsatz spezieller Gase ergeben. Experimentell wird gezeigt, dass die an Normalatmosphäre stabil arbeitenden Lagerelemente im Vakuum nach Überschreiten einer Stabilitätsgrenze zu selbsterregten Schwingungen neigen. Das Auftreten der Stabilitätsgrenze wird theoretisch begründet und der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Stabilitätsgrenze analysiert. Ebenso wird in experimentellen Untersuchungen die auf verschiedenen Materialien hervorgerufene Gasabgaberate bestimmt, die bei einer translatorischen Relativbewegung zwischen dem Lagerelement und dem eingesetzten Gegenpart auftritt. Mit der Arbeit gelingt es, die Einsatzmöglichkeit von Gaslagerelementen unmittelbar in einer Hochvakuumumgebung erfolgreich nachzuweisen. Aus den Untersuchungsergebnissen werden Gestaltungsrichtlinien abgeleitet, die zu guten Trageigenschaften, niedrigen Leck- und Gasabgaberaten und einem stabilen Betriebsverhalten der Lagerelemente führen.
Ebene Keramiksubstrate und neue Montagetechnologien zum Aufbau hybrid-optischer Systeme, 2005. - Online-Ressource (PDF-Datei: 102 S., 8410 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2005
Parallel als Druckausg. erschienen
Die vorliegende Arbeit stellt Untersuchungen zum Aufbau hybrid-optischer Systeme auf ebenen Keramiksubstraten vor. Das zugrundeliegende Aufbaukonzept eignet sich für miniaturisierte, freiraumoptisch-zweidimensionale Systeme, mit denen eine Vielzahl von optischen Funktionen realisiert werden kann, ebenso wie zur Integration von Bauelementen der Elektronik und Silizium-Mikromechanik. Basis der Überlegungen ist es, die aus der Fertigung elektronischer Baugruppen bekannte Hybridtechnik für Leiterplatten zu nutzen, welche auf der Verwendung von Keramikmaterialien wie Aluminiumoxid (Al2O3) und "Low Temperature Cofired Ceramics" (LTCC) beruht. Solche formstabilen Keramiksubstrate können als Plattform zum Aufbau optischer Systeme genutzt werden, indem mit geeigneten Verfahren mechanische Strukturen in diesen Substraten erzeugt werden, die sich als Fassungen für optische Bauelemente eignen. Die Formenvielfalt dieser Fassungsstrukturen sowie deren geometrische Auslegung sind ein Schwerpunkt der Arbeit. Darüber hinaus werden in einem zweiten Schwerpunkt die Montagetechnologien dargestellt und charakterisiert, die notwendig sind, um optische Bauelemente in solchen Fassungsstrukturen zu positionieren bzw. zu justieren und anschließend zu fügen. Technologien der Elektronikfertigung, bei denen mittels des sogenannten "Pick&Place" ebenfalls ebene Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen bestückt werden, können und müssen dazu geeignet erweitert werden, da die dort zur Verfügung stehenden vier Freiheitsgrade für die Positionierung und Justierung optischer Bauelemente oft nicht ausreichen. Es werden Verfahren vorgestellt, welche die Belange der Optikmontage berücksichtigen und diese mit den Vorteilen des Bestückens von Leiterplatten vereinen. Die Untersuchungen zu den vorgestellten Lösungsansätzen werden am Beispiel eines optoelektronischen Demonstratorsystems dargestellt. Im Ergebnis schränken nachgewiesene Strukturgenauigkeiten von ±27 æm bis ±90 æm das vorgestellte Aufbaukonzept beim einfachen Positionieren optischer Bauelemente an den mechanischen Anschlägen der Fassungsstrukturen derzeit noch ein. Mit Justierprozessen hingegen wurden Positioniergenauigkeiten von < ±5 æm erreicht. Unter Berücksichtigung der vielfältigen nichtoptischen Funktionalitäten keramischer Substrate eignen diese sich daher vorwiegend für die nicht unbedingt höchstpräzise Integration von Optik und Elektronik auf einer gemeinsamen Systemplattformen.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=5168
Laserbiegen in der Feinwerktechnik, 1998. - [7], 102, [7] Bl. : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 1998