Studienabschlussarbeiten

Die Verwendung unterschiedlicher Mess- und Bearbeitungswerkzeuge innerhalb der an der Technischen Universität Ilmenau entwickelten Nanomess-, Nanopositionier- und Nanofabrikationsmaschine macht den Einsatz eines Toolwechselsystems notwendig. Um die räumliche Lage des Toolarbeitspunktes nach dem Wechselvorgang hochreproduzierbar zu definieren, wird eine kinematische Kopplung verwendet. Prinzipbedingt wirkt die Gewichtskraft des Tools der Anordnung der offenen, kraftgepaarten kinematischen Kopplung entgegen, weshalb eine Betriebskraft zum Halten und Vorspannen notwendig ist. Da jede Änderung der elastischen Verformungen an den Koppelpunkten die Reproduzierbarkeit beeinflusst, werden sowohl an die zeitliche, als auch die räumliche Reproduzierbarkeit der Kraftaufbringung höchste Anforderungen gestellt. Ein entwickeltes Berechnungsmodell stellt den Zusammenhang zwischen Betriebskraft und Lage des Toolarbeitspunktes unter Berücksichtigung von elastischen Verformungen und Reibung dar. Auf Grundlage dessen lassen sich konkrete Anforderungen an das Toolwechselsystem ableiten und Lösungsprinzipe entwickeln, die auf der Krafterzeugung durch Federkraft, magnetischer Reluktanzkraft sowie der Gewichtskraft basieren. Mittels einer mehrwertigen Bewertung wurde eine geeignete Prinziplösung ausgewählt, welche die Betriebskraftaufbringung mittels Dauermagneten und drehbaren Flussstücken zum Kurzschließen der Betriebskraft vorsieht. Die Magnetkreise wurden anhand einer magneto-statischer Finite Elemente Analyse hinsichtlich des Arbeitspunktes optimiert. Die konstruktive Umsetzung erfolgte unter Berücksichtigung der Vakuumtauglichkeit mit der Erweiterung einer toolseitig angebrachten Justierung des Toolarbeitspunktes. Die parallele Justierung in x-y-Richtung basiert dabei auf Schraubengetrieben, die Justierung in z-Richtung wird mittels Distanzelementen ausgeführt. Mit dem Einstellen des Luftspaltes über Distanzelemente, wurde weiterhin eine toolseitig angebrachte Justierung der Betriebskraft integriert, sowie ein vakuumtaugliches Antriebskonzept zum vollautomatisierten Kurzschließen der Haltekraft entwickelt. Mit Ableitung eines Technischen Entwurfes wurde die Grundlage für den Bau eines Prototyps geschaffen, anhand dessen eine anschließe Funktionsüberprüfung erfolgen kann.

Diese Arbeit thematisiert die Analyse und die konzeptionelle Weiterentwicklung der konstruktiven Umsetzung eines hochpräzisen elektronischen Autokollimators mit einem großem Bildbereich. Bei der Montage lassen sich die angestrebte Winkelauflösung und die Genauigkeit nur mit großem Aufwand erreichen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Minimierung dieses Aufwands durch eine ausführliche Analyse der vorhandenen konstruktiven Umsetzung und darauf basierend deren konstruktive Verbesserungen. Zur Durchführung der Toleranzanalyse wird der Aufbau des Autokollimators abstrahiert und in Bauteile und Koppelstellen gegliedert. Für diese werden die Toleranzen anhand der nach Stand der Technik zu erreichenden Fertigungstoleranzen sowie Justierauflösungen abgeschätzt. Darauf basierend werden Toleranzketten gebildet, wobei eine Normalverteilung der Toleranzen angenommen wird. Die daraus resultierenden Lageabweichungen der optischen Bauteile werden mit den Vorgaben aus dem Optik-Schema verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Toleranzanforderungen bei nahezu allen Toleranzketten nicht eingehalten werden. Durch eine Betrachtung der Einflussfaktoren auf die Lageabweichungen der optischen Bauteile, werden kritische Punkte in der konstruktiven Umsetzung des Autokollimators identifiziert. Für diese werden allgemeingültige Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Die Konkretisierung der Verbesserungsvorschläge auf zwei der gebildeten Toleranzketten zeigt deren Eignung zur Verbesserung der konstruktiven Umsetzung. Die Lageabweichungen der optischen Bauteile werden so weit reduziert, dass die Toleranzvorgaben aus dem Optik-Schema erfüllt werden. Zur Fortsetzung dieser Arbeit müssen die weiteren Toleranzketten in gleicher Weise betrachtet und untersucht werden. Anschließend sind die konstruktive Umsetzung und die Verifizierung der Funktionsfähigkeit durch den Aufbau und den Test eines Demonstrators vorzunehmen.

Mittels kinematischer Kopplungen ist es theoretisch möglich zwei Objekte mit einer hohen Reproduzierbarkeit relativ zueinander zu positionieren. Aus diesem Grund finden sie eine weite Verbreitung in hochpräzisen Anwendungen. An der Technischen Universität Ilmenau sollen diese bei der Entwicklung einer Tool-Wechselschnittstelle für Nanofabrikationsmaschinen eingesetzt werden. Zum Ausgleich von fertigungs- und montagebedingten geometrischen Abweichungen, soll die kinematische Kopplung justierbar ausgeführt werden. Es ist eine unabhängige Justierung der Freiheiten zu realisieren. Die Justierung ist mindestens in den drei translatorischen Freiheiten zu ermöglichen. Zur Erfüllung dieser Anforderung, erfolgt eine kinematische Untersuchung der Kopplungen. Hierzu wird ein Algorithmus entwickelt, der den Zusammenhang zwischen der eingeleiteten Bewegung und der Justierbewegung in Abhängigkeit von der Geometrie der kinematischen Kopplung beschreibt. Untersucht werden sowohl Kelvin- als auch Maxwell-Anordnungen. Bei Anordnungen nach Maxwell werden die Orientierung und die Winkel der V-Nuten zueinander variiert und eine Analyse der Lage des Toolmittelpunkts durchgeführt. Die Berechnungen basieren auf einer analytischen Beschreibung des Gesamtsystems der kinematischen Kopplung unter Berücksichtigung der geometrischen Abhängigkeiten zwischen den V-Nuten. Die Auswertung erfolgt anhand des Verhältnisses der Bewegung in der zu justierenden Freiheit zu den nicht gewünschten parasitären Bewegungen in den verbleibenden Freiheiten. Es zeigt sich, dass eine unabhängige Justierung in x- und y-Richtung in der Koppelebene einer klassischen Maxwell-Anordnung möglich ist, wenn der Toolmittelpunkt direkt über dem Mittelpunkt einer Kugel liegt. Dabei tritt eine vernachlässigbare Rotation des Tools um z auf. Abschließend werden technische Prinzipe für die Funktionsgruppen Antriebsgetriebe, Führung der V-Nuten und Kurzschließen des Kraftkreises entwickelt und zu einem konkretisierten technischen Prinzip zur Realisierung der Justierung in der Koppelebene zusammengefügt. Zusätzlich wird eine Justierung in z-Richtung durch eine Änderung des Abstands der jeweils gegenüberliegenden V-Nut Hälften ermöglicht.

Konventionell genutzte Messsysteme zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von feinen Fasern benötigen einen hohen Präparationsaufwand. Um diesen künftig zu vermeiden, wird an der Technischen Universität in Ilmenau ein neuer automatisierter Prüfstand für feine Fasern entwickelt. Ein Konzept für diesen Prüfstand wurde bereits in einer vorangegangenen Arbeit erstellt. Eine zentrale Einheit des Prüfstandes bildet dabei ein automatisiertes Greifsystem, welches eine möglichst beschädigungsarme Fixierung der Fasern während des Messprozesses realisieren soll. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Eignung des bereits entwickelten nachgiebigen Mechanismus des Greifers, im Hinblick auf den künftigen Prüfstand, getestet. Dazu werden zunächst die noch ausstehenden mechanischen und elektronischen Komponenten konstruiert, gefertigt und montiert. Anschließend wird eine Software zum Ansteuern des Greifers entwickelt, die eine Inbetriebnahme ermöglicht. Der Aufbau des Greifers und die entwickelten Hardware- und Softwarekomponenten sind in den ersten Kapiteln dieser Arbeit dokumentiert. Nach dem Aufbau des Greifers werden seine Eigenschaften in einigen Testreihen untersucht. Zu diesen zählen unter anderem die Bestimmung der Toleranzen der Greifkraft und die Ermittlung der charakteristischen Kennlinien des Greifers. Final wird die Eignung des Greifers in einem Zugversuch mit feinen Fasern überprüft. Durch die Erfahrungen aus dem Aufbau des Greifers und den gewonnenen Erkenntnissen aus den Versuchen, kann zielgerichtet ein Optimierungspotential abgeleitet werden. Gemeinsam mit alternativen Vorschlägen werden diese in einem abschließenden Kapitel festgehalten.

Aufgrund der steigenden Anforderungen bei der Leistungsmessung von Hochleistungslasern (> 100W) müssen erweiterte Messunsicherheiten in der Größenordnung von 0.001 und idealerweise darunter erreicht werden, um die Limitationen des aktuellen Standes der Technik zu überwinden. Eine elektrostatische Kompensationswaage, die auch für die Definition des Kilogramms im Internationalen Einheitensystem (SI) verwendet wird, ist das Messgerät, das dafür eingesetzt werden soll. Die Reflexion und Absorption von Laserlicht liefert aufgrund des Laser-Photonenimpulses eine kleine messbare Kraft. Diese Kraft steht in direktem Zusammenhang mit der Leistung des Lasers. Ziel ist es, die Kraft von einem Laser mit 100kW entsprechend 667[my]N auf einen hochreflektierenden Spiegel zu messen. Es wurde eine theoretische und experimentelle Analyse eines bestehenden Waagenprototyps hinsichtlich Messunsicherheit und praktischer Betriebs-/Handhabungsaspekte durchgeführt. Diese Analyse verdeutlichte den Entwicklungsbedarf einer neuen elektrostatischen Kompensationswaage. Es zeigte sich, dass der Wägemechanismus die wichtigste Komponente für die Lösung des Entwicklungsproblems darstellt. Das gewählte kinematische Prinzip, eine Parallelkurbelschwinge, wurde in eine monolithische Gestalt überführt. Halbkreisförmige Festkörpergelenke mit minimalen Steghöhen von 50[my]m wurden dabei verwendet. Die Steifigkeit lässt sich durch Justage der Masseverteilung im nachgiebigen System reduzieren, um die geforderte Sensitivität in Messrichtung zu garantieren. Sowohl analytische als auch numerische Modellierungstechniken wurden eingesetzt, um die funktionswichtigen Eigenschaften des Mechanismus während des Entwicklungsprozesses zu optimieren. Eine Unsicherheitsanalyse bezüglich der Leistungsfähigkeit des mechanischen Systems wurde durchgeführt und zeigte, dass die erforderliche erweiterte Messunsicherheit 0.001 des gesamten Wägesystems erreichbar ist. Bei der Konstruktion wurde der Schwerpunkt darauf gelegt, die Messfehler in akzeptablem Rahmen zu halten und zugleich ein mechanisch robustes System bereitzustellen, das auch transportfähig ist.