3.7 Manipulatoren und mechanische Durchführungen

Zahlreiche Vakuumprozesse in der Forschung und industriellen Produktion benötigen eine Bewegung von Proben oder Bauteilen im evakuierten Bereich. Dies können lineare Positionsänderungen in Richtung der drei Raumachsen oder das Drehen um die Achsen sein, als Einzelbewegung oder als Kombinationen der Bewegungsarten untereinander.

Manipulatoren und mechanische Durchführungen ermöglichen Translationen und Rotationen im Vakuum, wobei deren Antrieb auf der Atmosphärenseite liegt und die Bewegungen vakuumdicht übertragen werden. Dabei werden verschiedenste Wirk- und Übertragungsprinzipien entsprechend den jeweiligen Vakuum- und Anwendungsbedingungen genutzt. Als dichtende Elemente kommen metallische Membran- und Wellbälge, spezielle Elastomerdichtungen, magnetisch gekoppelte Systeme oder differenziell gepumpte Dichtungen zum Einsatz.

Ausführungen mit beidseitig freien Flanschanschlüssen und offenem Durchgang bezeichnet man als Manipulatoren, Komponenten, deren Aktuator vakuumdicht in einem Flansch verbaut ist, als mechanische Durchführungen. Letztere zeichnen sich durch eine kompakte Bauform aus. Manipulatoren sind untereinander kombinier- und erweiterbar. Darüber hinaus können an ihnen mechanische Durchführungen angebaut werden, sodass vielfältigste Arten von Bewegungen ins Vakuum übertragen und somit mannigfaltige Bewegungsaufgaben gelöst werden können. Zusätzlich können am Eingangsflansch weitere Durchführungen für z. B. Strom oder Fluide angebracht werden und diese somit durch den Manipulator direkt zur Anwendung geführt werden.

Auf den Flanschen von Manipulatoren lasten gerade bei größeren Nennweiten beachtliche Kräfte durch den Atmosphärendruck. Damit die Flansche auch unter Vakuum lagestabil sind, muss bei der Konstruktion von Manipulatoren großer Wert auf deren Eigensteifigkeit gelegt werden. Eine besondere konstruktive Herausforderung besteht darin, die hochpräzise Übertragung von Bewegungen in Einklang zu bringen mit der äußeren Belastung und weiteren Lasten durch Einbauten. Zudem müssen die eingesetzten Komponenten ausheizbar sein, um die Verwendung auch im UHV-Bereich zu gewährleisten.

3.7.1 Funktionsprinzipien

Bei der Auswahl eines geeigneten Manipulators oder einer mechanischen Durchführung sollte der Anwender das zugrunde liegende Funktionsprinzip kennen, um die technischen Parameter in Bezug auf die Eignung für seine Aufgabenstellung beurteilen zu können.

3.7.1.1 Membranbalggedichtete Translation

Membranbälge bestehen aus paarweise aneinander geschweißten Membranscheiben. Sie sind in ihrer axialen Ausdehnung äußerst beweglich bei einer kleinen Federrate. Membranbälge gewährleisten einen hermetisch dichten, metallischen Einschluss und sind für höchste UHV-Anforderungen geeignet.

Die Auswahl und Auslegung der Membranbälge erfolgt gemäß der geforderten Bewegungsaufgabe unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen: Lebensdauer (Anzahl der Bewegungszyklen), Betriebstemperatur, Ausheiztemperatur, Differenzdrücke. Die Lebensdauer kann dabei bis zu 0,5 Millionen Zyklen betragen bei Membranen aus dem Werkstoff 316L und bis zu 10 Millionen Bewegungszyklen für den elastischeren, jedoch magnetisierbaren Werkstoff AM 350. Membranbälge sind innerhalb der vorgegebenen Zyklenzahl wartungsfrei. Nach Erreichen der berechneten Bewegungszyklen müssen sie getauscht werden. Für Umgebungen mit Staub und Schmutz sind sie ungeeignet.

Membranbälge werden in Z-Achsen-, XY-Achsen- und XYZ-Achsen-Präzisionsmanipulatoren, Justiermanipulatoren und balggedichteten Drehdurchführungen eingesetzt.

Beim Ausheizen von Geräten mit Membranbälgen muss auf eine gleichmäßige Erwärmung geachtet werden. Heizbänder auf Membranbälgen sollten vermieden werden. Sie führen zu einer starken, lokalen Erwärmung, da die Membranen zum einen eine geringe Masse und zum anderen eine kleine Fläche für die Wärmeleitung haben. Temperaturgeregelte Heizmanschetten sind hier die bessere, wenn auch aufwendigere Alternative.

3.7.1.2 Balggedichtete Rotation

Das sogenannte Katzenschwanz- oder auch Taumelprinzip erlaubt die Übertragung einer Drehbewegung mit einem Balg, d. h. Drehbewegungen bei einer hermetischen Trennung zwischen Vakuum und Atmosphäre. In Abbildung 3.25 ist der Aufbau einer solchen Durchführung dargestellt. Die abgewinkelte Antriebswelle (1), deren Ende in einem Kurbelzapfen (3) gelagert ist, dreht die Antriebswelle (4) im Vakuum. Über die nicht drehende Balgabdichtung (2), die eine Taumelbewegung ausführt, erfolgt die hermetische Abdichtung. Ab- und Antriebswelle werden mittels Edelstahlkugellagern gelagert, die mit einer vakuumtauglichen Trockenschmierung beschichtet sind.

Die Trockenschmierung erhöht nicht nur die Lebensdauer und die mögliche maximale Drehzahl, sie verhindert auch ein Festsetzen der Kugeln während des Ausheizens bei hohen Temperaturen. Neben Trockenschmierungen können für UHV-Anwendungen auch Hybridlager mit Keramikkugeln eingesetzt werden. Ihr hoher Preis rechtfertigt einen Einsatz nur bei höchsten Anforderungen. Alternativ können bei Hochvakuumanwendungen, die unempfindlich auf geringe Anteile von Kohlenwasserstoffen sind, Lager mit vakuumtauglichen Fetten geschmiert werden.

3.7.1.3 Magnetisch gekoppelte Rotation und Translation

Als hermetisch dichte Dreh- oder Schiebedurchführungen werden Magnetkupplungen benutzt. Sie bestehen aus einer Permanentmagnetanordnung außen, die einen im Vakuum dreh- bzw. verschiebbar gelagerten, ebenfalls mit Magneten bestückten Rotor mitnimmt. Beide Teile sind durch ein dünnwandiges Rohr vakuumtechnisch voneinander getrennt. Der Abstand der Magnete von Innen- und Außenläufer sollte möglichst gering sein, damit die Koppelkraft zwischen ihnen möglichst groß ist. Der Rotor innen ist mit der zu bewegenden Anwendung verbunden, der Magnetläufer außen wird manuell bewegt oder motorisch angetrieben. Die Lager innen sind vakuumtauglich trockengeschmiert.

Häufig werden Hochleitungsmagnete aus Metallen der Seltenen Erden eingesetzt, wie z. B. Kobalt-Samarium-Magnete. Sie gewährleisten eine höchstmöglichste Kopplungskraft bei gleichzeitig hervorragender Beständigkeit gegenüber höheren Temperaturen, wie sie beim Ausheizen auftreten. Derart magnetisch gekoppelte Systeme sind für UHV-Anwendungen geeignet. Auch wenn die Magnetfelder zum größten Teil abgeschirmt sind, lässt sich die Ausbreitung der magnetischen Feldlinien nicht restlos vermeiden. Der Anwender muss daher prüfen, ob seine Anwendung unempfindlich genug gegenüber dem verbleibenden Magnetfeld ist.

Mit magnetgekoppelten Systemen können reine Dreh- und Linearbewegung und simultane Dreh/Linearbewegung realisiert werden. Die übertragbaren Verschiebekräfte und Drehmomente sind durch die Anzahl der Magnete und deren Anordnung begrenzt. Die erreichbare Präzision ist abhängig von der zu bewegenden Masse. Die Magnetfelder wirken wie eine Feder zwischen den beiden Kopplungspartnern. Je höher die externen Kräfte oder Momente sind, desto größer ist die Abweichung der Positionen zwischen Innen- und Außenläufer. Sind die externen Kräfte und Momente im Vergleich zu den maximal zulässigen gering, können Bewegungen sehr präzise übertragen werden.

3.7.1.4 Elastomergedichtete Rotation und Translation

Für dynamisch beanspruchte, hochvakuumtaugliche Dichtungen werden spezielle Elastomerdichtungen verwendet, die häufig aus dem Werkstoff FKM (Fluor-Kautschuk) bestehen. Die Abstimmung der Grenzmaße zwischen Gehäuse, Dichtung und Aktuator-Welle muss sorgfältig erfolgen, ebenso die Auslegung und Ausführung der Oberflächengüten.

Für häufige Bewegungen und zur Erhöhung der Dichtwirkung benötigen Elastomerdichtungen an den beweglichen Kontaktstellen eine Schmierung, die die Reibung mindert, einen vorzeitigen Verschleiß verhindert und kleine Unebenheiten in den Oberflächen ausgleicht. Bei der Auswahl eines geeigneten Vakuumfettes oder -öls müssen dessen Eigenschaften – insbesondere der Dampfdruck – bei der maximalen Betriebs- und Ausheiztemperatur berücksichtigt werden.

Elastomergedichtete Durchführungen sind nur bedingt ausheizbar. Zudem ist zu prüfen, ob Bestandteile des Fettes oder geringe Mengen an Kohlenwasserstoffen mit der Anwendung verträglich sind. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen stellen elastomergedichtete mechanische Durchführungen eine ökonomische Alternative zu Geräten mit aufwendigeren Funktionsprinzipen dar, wenn nicht höchste Ansprüche an die Vakuumqualität gestellt werden.

Ein Vorteil der durchgehenden Aktuator-Welle ist die direkte Verbindung der vakuumseitigen Anwendung mit dem Antrieb auf der Atmosphärenseite. Hier tritt kein spiel- oder lastabhängiger Positionierungsfehler auf. Zudem können abhängig von der Dimensionierung und Lagerung der Aktuator-Welle große Lasten bewegt werden.

Mit elastomergedichteten Durchführungen können reine Dreh- und Linearbewegung und simultane Dreh/Linearbewegung realisiert werden.

3.7.1.5 Rotation über Gleitdichtungen mit gepumpten Zwischenräumen

Die einzige Möglichkeit, einen Manipulator mit freiem Durchgang und frei zueinander drehbaren Flanschen zu fertigen, ist die Verwendung von Gleitdichtungen. Da eine Gleitdichtung allein keine UHV-dichte Trennung ermöglicht, werden mehrere in Reihe geschaltet und die Zwischenräume evakuiert. Üblicherweise werden drei spezielle PTFE-Gleitdichtungen in Reihe verbaut. Für den ersten Zwischenraum reicht eine Vorvakuumpumpe. Sollen im Inneren UHV-Bedingungen herrschen, wird eine weitere Zwischenabsaugung benötigt, an die eine Hochvakuumpumpe angeschlossen wird.

3.7.2 Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Auflösung

Manipulatoren und mechanische Durchführungen haben verschiedenste Aufgabenstellungen. Sie reichen von kontinuierlichen Linear- und Drehbewegungen mit vorgegebenen Geschwindigkeiten bis zu präzisen Positionierungsaufgaben. Proben zur Analyse transportieren, Serienprodukte zwischen Prozesskammern verfahren, oder Messköpfe an ihre Messstelle positionieren – solche Aufgaben erfordern oft nur Positionsgenauigkeiten von 0,1 bis 1 mm. Andere Positioniervorgänge erfordern präziseste Wiederholgenauigkeiten von wenigen Mikrometern oder bei Aufgaben wie Scanvorgängen feinste Auflösungen von 1 µm.

Um Anforderungen zur Auswahl eines Manipulators oder einer mechanischen Durchführung richtig benennen zu können, sind das Verständnis der folgenden Begriffsdefinitionen sowie, die Kenntnis der Eigenschaften und Fehlerquellen der Geräte wichtig.

Die Genauigkeit (Präzision) beschreibt die Abweichung zwischen der gewünschten Position und der wirklich erreichten Position. Startend von einer Position, manuell über eine Skala abgelesen oder motorisch angefahren, endend bei einer Position, die sich nach einer definierten Anzahl von Skalenbewegungen oder Motorschritten ergibt.

Die Genauigkeit folgt demnach aus einer Vielzahl von Faktoren. Ohne den Anspruch auf Vollständigkeit erheben zu wollen, hier einige Aspekte, die häufig betrachtet werden müssen: Wie genau lässt sich die Skala ablesen? Wie genau lässt sich das Stellrad bewegen? Wie groß ist die Unterteilung der Motorschritte? Folgt die Bewegung exakt dem Motorschritt? Außerdem sind die Eigenschaften der Führungs- und Antriebsbauteile entscheidend für die Genauigkeit: Wie groß ist der Steigungsfehler und das Spiel eines Spindeltriebes? Wie groß sind die Abweichung von der idealen Führungslinie einer Linearführung? Weiterhin bewirken externe Lasten durch Anbauten oder durch den Luftdruck Verformungen in der Antriebs- und Führungseinheit. Sind Manipulatoren nicht ausreichend stabil aufgebaut, neigt sich der verfahrbare Flansch beim Evakuieren relativ zum Anschlussflansch.

Die Wiederholgenauigkeit beschreibt die Abweichung, mit der eine bestimmte Position wieder zu erreichen ist. Sie ist besser oder gleich der Genauigkeit, da nicht sämtliche Fehlerquellen eingehen. Z. B. wirken sich der Spindelsteigungsfehler oder die Führungsabweichung hier nicht aus, wohl aber das Spiel in den Bauteilen.

Die Auflösung beschreibt die kleinste mögliche Schrittweite einer Bewegung. Steigungsfehler oder Führungsgenauigkeit wirken sich auch hier nicht aus. Die Ablesbarkeit der Skala oder die kleinste Schrittweite des Motors sind hier entscheidend. Voraussetzung ist hier, dass die Führungs- und Antriebseinheit der Vorgabe folgt. Kommt es z. B. aufgrund der Elastizität der Bauteile und des Unterschieds zwischen Haft- und Gleitreibung zu Wegsprüngen unter den Gleitreibungspartnern (Stick-Slip-Effekt), können solche Effekte die Auflösung bestimmen. Kugelumlaufsysteme sind frei von solchen Effekten und sind bei anspruchsvollen Positionierungsaufgaben einer Gleitführung vorzuziehen.

3.7.3 Technische Ausstattung und Eigenschaften

Manipulatoren und mechanische Durchführungen können sowohl mechanisch eher simpel als auch hochwertig ausgeführt sein. Daher sollte sehr genau beachtet werden, ob das jeweilige Gerät den Ansprüchen an Präzision, Haltbarkeit und Wartungsaufwand entspricht und eine ergonomische Bedienbarkeit gewährleistet ist.

3.7.3.1 Konstruktionsmerkmale eines Z-Achsen- Präzisionsmanipulators

Der Einsatz von Kugelumlaufsystemen bei Spindelantrieb und Führung hat mehrere entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Trapez- und metrischen Gewindetrieben oder Gleitführungen. Aufgrund ihrer geringen Reibung besitzen Kugelumlaufsysteme einen hohen Wirkungsgrad, der sich insbesondere bei großen Nennweiten positiv auswirkt. Trotz hoher externer Lasten (etwa durch den Druckunterschied im evakuierten Zustand) ermöglichen sie eine komfortable Wegverstellung mit moderater Betätigungskraft. Der bereits beschriebene Stick-Slip-Effekt ist nicht vorhanden, sodass zum einen eine sehr feine Auflösung bereitsteht und zum anderen kein Losbrechmoment auftritt, das eine Bedienung erschwert und insbesondere Motorantriebe stark belastet. Untersetzungsgetriebe zur Unterstützung von Motoren sind hier nicht nötig. Ein weiterer Vorteil ist der sehr geringe Verschleiß. In einer sauberen Umgebung, die zu keiner Verschmutzung des Fettes führt, hält die Originalschmierung aus hochwertigem Langzeit-Hochtemperaturfett praktisch unbegrenzt und eine Wartung entfällt.

Ein verbiegungssteifer Führungskörper wirkt sich wesentlich auf die Präzision aus. Die Wahl einer stabilen U-Form aus Edelstahl führt zu großer Steifheit bei geringem Materialeinsatz und damit verbundenem Gewicht. Innerhalb der U-Form ist die Führungsschiene an die stabile Rückwand verschraubt. Gegenüber freilaufenden Wellenführungen, die nicht unterstützt werden können, erhält man mit Profilschienenführungen ein besonders verformungsarmes Gerüst, das auch unter hohen Lasten eine präzise Verstellung unter Einhaltung aller Raum-achsen über den gesamten Verfahrweg realisiert.

Die Balgeinheit ist üblicherweise auf 10.000 Zyklen bei vollständiger Nutzung des Verfahrwegs ausgelegt. Durch eine Austauschbarkeit des Balges wird gewährleistet, dass Manipulatoren mit hochwertigen Führungs- und Antriebskörpern weiterhin genutzt werden können.

3.7.3.2 Konstruktionsmerkmale eines XY-Achsen-Präzisionsmanipulators

Die Konstruktion eines XY-Achsen-Präzisionsmanipulators zeichnet sich ebenfalls durch eine sehr stabile Konstruktion aus, die einen Ausgleich zwischen Gewicht, Baugröße und Stabilität darstellt. Seine tragende Grundstruktur ist verwindungssteif aus einer Aluminiumlegierung gefertigt, deren Oberfläche eloxiert und damit langlebig geschützt ist.

Präzisionkreuzrollenführungen sichern eine lange Lebensdauer bei höchster Präzision. Der manuelle Antrieb der beiden Achsen erfolgt über Mikrometerschrauben mit großer Betätigungstrommel. Sie gewährleistet eine einfache, ergonomische Einstellung bei einer sehr guten Lesbarkeit der Skala und führt damit zu einer hohen Auflösung.

Ein Freiraum um die Balgeinheit sorgt für die Montagemöglichkeit einer Heizmanschette, sodass diese gleichmäßig geheizt werden kann. Auch hier ist die Balgeinheit einfach austauschbar, sodass sie nach Durchfahren der ausgelegten Anzahl an Zyklen ausgetauscht werden kann.