Lager tragen zur Genauigkeit und zum Systemverhalten bei

Veröffentlicht am: 24 Oktober 2023

Experte:

Dr.ir. Marc Vermeulen

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Beim Entwurf eines mechatronischen Systems wird der Betätigung oft die meiste Aufmerksamkeit geschenkt. Aber das Lager ist genauso entscheidend für die Genauigkeit und das Systemverhalten. Hans van de Rijdt und Marc Vermeulen entwickeln daher eine neue Schulung für die Mechatronics Academy, die im März 2024 am High Tech Institute stattfinden soll: ‚Bearing principles for precision motion‚.

Im Maschinenbau gibt es eine große Auswahl an Lagern, von Gleit-, Rollen- und Luftlagern bis hin zu hydraulischen, elastischen und magnetischen Lagern. Die Qual der Wahl lauert also. Das hat jedoch nicht verhindert, dass die Lagertechnik in den letzten Jahrzehnten in der High-Tech-Welt etwas vernachlässigt wurde.

Marc Vermeulen, der als Principal Mechanical System Architect bei ASML arbeitet, hat dafür eine Erklärung. „In der Mechatronik sprechen wir oft von der Betätigungsrichtung, bei der man mit einem Antrieb und einem Messsystem eine bestimmte Genauigkeit erreichen muss.“

Die Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung ist jedoch ebenso wichtig. „Dann geht es um die Freiheitsgrade, die Sie nicht betätigen. Diese müssen Sie also einschränken und wie machen Sie das? Denn das bestimmt letztendlich die Genauigkeit und das gesamte Systemverhalten in hohem Maße. Die Lager sind in der Tat wichtig dafür.“

Mindestens drei Fehler

Bei seiner Arbeit als unabhängiger Berater in der High-Tech-Industrie stößt Hans van de Rijdt regelmäßig darauf, dass bestimmte Lagerprinzipien übersehen oder Fallstricke nicht vermieden werden. Gemeinsam mit Vermeulen hat er den Schulungskurs Bearing Solutions entwickelt, der demnächst am High Tech Institute beginnen wird. Van de Rijdt: „Das passierte kürzlich bei der Überprüfung eines großen Projekts, an dem 140 Personen arbeiteten. Da würde man erwarten, dass es genug von ihnen gibt, die etwas über Lager wissen. Trotzdem habe ich mindestens drei Fehler bei der Anwendung von Lagern gesehen.“

Es handelte sich um eine Konstruktion, bei der das Lager eine sehr kleine Winkelbewegung macht. „Dieses Lager kann klemmen, weil das Schmiermittel nicht richtig verteilt wird. Das war nicht berücksichtigt worden. Außerdem wurde ein falscher Kugelkäfig verwendet, so dass die erforderliche Anzahl von Hüben nicht erreicht werden konnte. Die Lieferanten von Lagern sagen Ihnen so etwas oft nicht. Wenn Sie anrufen, bekommen Sie den Verkäufer, der es auch nicht weiß, und es ist sehr schwierig, den Ingenieur zu erreichen.“

Hans van de Rijdt (links) und Marc Vermeulen (rechts).

Von Leistung und Lebensdauer bis hin zu Lärmbelästigung und Lieferzeiten

Bei der Wahl eines bestimmten Lagertyps spielen viele Faktoren eine Rolle. An erster Stelle stehen die Leistung – denken Sie an Genauigkeit, Geschwindigkeit und Beschleunigung – und die Lebensdauer, die durch Reibung und Verschleiß negativ beeinflusst werden kann. Ein Luftlager punktet bei beidem, aber weniger bei den Kosten. So muss beispielsweise eine Luftversorgung in das Systemdesign integriert werden.

Je nach Anwendung können auch andere Faktoren ins Spiel kommen. Ein gutes Beispiel ist das Wohlbefinden des Patienten. Das ist zum Beispiel bei CT-Scannern der Fall, bei denen sich eine gelagerte Röntgenröhre in einer kreisförmigen Gantry um den Patienten dreht. Bei Philips war ein solcher Scanner immer mit einem Rollenlager ausgestattet, erinnert sich Van de Rijdt, aber irgendwann stellte man auf ein großes Luftlager um. „Das war der Leistung zuliebe, aber vor allem, um die Lärmbelästigung durch das Lager zu reduzieren.“

Bei groben Anwendungen kann auch die Wahl des Lagers entscheidend sein. Van de Rijdt erzählt von einem großen Offshore-Kran mit einem Ringlager von 8 Metern Durchmesser. „Die Vorlaufzeit für die Herstellung dieses großen Ringlagers betrug anderthalb Jahre, weil es im Werk natürlich nicht vorrätig war. Deshalb haben sie ein Gleitlager als Alternative in Betracht gezogen, das in Bezug auf die Vorlaufzeit viel günstiger wäre. Ich habe dann eine vollständige Studie darüber erstellt. Am Ende wurde diese Alternative verworfen, weil das Stick-Slip-Verhalten des Gleitlagers mit einem so großen Durchmesser zu große Auswirkungen auf die Bedienung durch den Kranführer hatte.“

Eingefahrene Muster und neue Kompetenzen

Neben der rationalen Begründung geht es bei der Wahl der Lager oft auch um eingefahrene Muster, sagt Vermeulen. In Bestückungsmaschinen werden beispielsweise aus Kostengründen Rollenlager und keine Luftlager verwendet. Wälzlager hingegen werden in Lithografiemaschinen nicht verwendet, da Schmierung und Verschleiß zu Verunreinigungen führen könnten. „Das ist für viele Hersteller eine Art Dogma, das in einer Halbleiterfabrik nicht angebracht ist. Die Frage, ob Luftlager aus Kostengründen nicht doch durch Rollenlager ersetzt werden können, stellt sich jedoch regelmäßig.

Van de Rijdt wurde vor kurzem wieder damit konfrontiert. „Ich konnte nur auf meinen Bericht von vor zwölf Jahren verweisen. Für manche Anwendungen ist die Leistung von Kugellagern ausreichend und dann ist ihr Einsatz kostengünstiger. Ich habe einfach getestet, wovor die Leute Angst hatten. Man kann die Verschmutzung gut in den Griff bekommen, indem man dafür sorgt, dass sich die Lager in einem Abwärtsstrom unter dem Wafer befinden.“

In der Zwischenzeit sind die Dinge in Bewegung, sieht Vermeulen bei ASML. „Alle Arten von Tests mit Schmiermitteln und Messungen von Steifigkeit und Reibung sind jetzt im Gange, zum Beispiel für Rollenlager. Natürlich hatten wir bereits die Kompetenzen für Luftlager, Magnetlager und auch elastische Lager (Blattfederführungen sind eine beliebte Lagerlösung für Tische mit kurzen Hüben, weil sie genau, spielfrei und reibungslos sind, Anm. d. Red.) Jetzt bauen wir also auch eine gewisse Kompetenz für Rollenlager auf.“

Vermeiden Sie Überdimensionierung

Dieses breite Spektrum an Kompetenzen ist wichtig, sagt Vermeulen. „Blattfederführungen sind für uns eine Art Selbstverständlichkeit geworden. Man kann sie in einem Stück, monolithisch, mit Drahterodieren herstellen. Ab einem bestimmten Punkt kann man einfach nicht mehr aufhören, die Komplexität und die Kosten zu erhöhen. Die Devise lautet dann: „Auf Nummer sicher gehen, dann wissen wir genau, dass es richtig ist“. Aber Sie müssen auch den Kostenaspekt berücksichtigen; das wird immer wichtiger.“

Van de Rijdt stimmt dem zu: „Wenn etwas auf den Nanometer genau sein muss, dann ist monolithisches und Drahterodieren genau richtig. Sobald man diesen Bereich verlässt und nur noch von Mikrometern spricht, muss es nicht mehr monolithisch sein. Ich habe z.B. Fokusmodule für verschiedene Anwendungen entwickelt, die exakt die gleichen Spezifikationen hatten. Es gab einen Preisunterschied um den Faktor zehn, der allein auf das gewählte Design für die Führung zurückzuführen war.“ Vermeulen: „Es fängt also schon bei den Annahmen an, unter denen Sie ein Gerät entwerfen. Das Gleiche gilt für die Lager. Überdimensionierung und deren Vermeidung sollte hier ein roter Faden sein.“ Auf diese Weise kann mehr Aufmerksamkeit für die Lager zu weniger Komplexität und Kosten führen.

Lösungen und Anwendungen

Das neue Training wird den Namen Bearing principles for precision motion tragen. Das ist eine bewusste Entscheidung, sagt Hans van de Rijdt. „Es geht um Lösungen für konkrete Lagerprobleme, um Anwendungen von verschiedenen Lagertypen. Wir tauchen nicht sehr tief in z.B. die tribologischen Aspekte ein, sondern es geht viel mehr darum, wann Sie welchen Typ verwenden können und was Sie dabei beachten müssen. Am besten ist es, wenn Sie aus Ihrer eigenen Erfahrung berichten.“

Es wird ein Einblick in die Funktionsweise eines Lagers gegeben, sagt Marc Vermeulen. „Viele Menschen wissen zum Beispiel nicht, dass man ein Luftlager ziehen kann, wenn man es vorspannt. So wird zum Beispiel die grundsätzliche Frage behandelt, was einem Lager Steifigkeit verleiht. Aber wir werden tatsächlich nicht die Differentialgleichungen diskutieren, die die Bewegungen in einem Lager beschreiben.“

Denn da liegt das Problem in der Praxis meist nicht, fügt Van de Rijdt hinzu. „Viele Menschen sind analytisch sehr stark, aber sie müssen einen Entwurf haben, um Berechnungen anzustellen. Nicht nur bei Lagern, sondern im gesamten Systembereich stelle ich oft fest, dass Designer und Architekten Schwierigkeiten haben, die ersten Zeilen eines Entwurfs auf Papier zu bringen. Wenn Sie eine erste Schätzung für ein Lager vornehmen wollen, um festzustellen, ob es die erforderliche Leistung und Lebensdauer erreichen kann, müssen Sie zunächst einen Entwurf dafür erstellen. Ich möchte den Menschen dabei helfen, diese Iterationen zu durchlaufen.

Die Schulung richtet sich an Konstrukteure und Architekten, die in ihren Entwürfen regelmäßig einen Lagertyp auswählen müssen. Sie müssen dann einen Kompromiss eingehen und die Anwendung des gewählten Lagers optimieren. Hier kommt auch die Steuerungstechnik ins Spiel, zum Beispiel bei Magnetlagern. Denken Sie an die ‚fliegenden Teppiche‘ in den ASML-Maschinen, die einen Wafer kontinuierlich und blitzschnell positionieren müssen. Vermeulen: „Sie müssen in der Tat sorgfältig gesteuert werden, aber das ist nicht Gegenstand unserer Ausbildung; sie ist nicht für Steuerungsingenieure gedacht.“ Es werden jedoch einige „grundlegende Berechnungen“ durchgeführt, um die Bandbreite und Steifigkeit der Steuerung zu bestimmen, fügt Van de Rijdt hinzu. „Wir wollen dem Konstrukteur und dem Systemarchitekten einen Einblick in diese Dinge geben.“

Die Architekten Vermeulen und Van de Rijdt bilden ein Lehrerduo

Hans van de Rijdt und Marc Vermeulen studierten beide Maschinenbau in Eindhoven, an der Fachhochschule bzw. der Technischen Universität (TUE). Sie haben beide einen Auftrag ausgeführt, der der niederländischen Schule der Designprinzipien für präzise Bewegung und Positionierung entsprach. Sie waren Kollegen bei der illustren Philips CFT und arbeiteten gemeinsam bei ASML an Wafertischen, Van de Rijdt auf Zeit und Vermeulen als Angestellter. In diesem Jahr haben sie auf Wunsch der Mechatronics Academy begonnen, gemeinsam eine Schulung zum Thema Lagertechnik zu entwickeln. Ab dem nächsten Jahr werden sie diesen Kurs zusammen mit dem ASML-Mitarbeiter und TUE-Teilzeitprofessor Hans Vermeulen (in der Tat der Bruder von) anbieten.

Van de Rijdt hat lange Zeit für Philips CFT gearbeitet und ist nun seit fünfzehn Jahren als Selbständiger für die bekannten Akteure der niederländischen High-Tech-Branche tätig, von Philips über ASML bis Nexperia. Er bekleidete Funktionen als Entwicklungsingenieur, leitender Entwicklungsingenieur, Gruppenleiter und Abteilungsleiter. „Am Ende habe ich beschlossen, dass die Arbeit als Ingenieur am meisten Spaß macht und dass die Rolle des Systemarchitekten zu mir passt.“ Im Jahr 2019 erhielt er den Rien Koster Award der DSPE (Dutch Society for Precision Engineering) für seine Leistungen als Entwickler multidisziplinärer, einfacher Konzepte für komplexe Hightech-Systeme, die in Bezug auf Herstellbarkeit und Kosten gut abschneiden.

Vermeulen promovierte an der TUE über die Entwicklung einer 3D-Koordinatenmessmaschine, die später von Zeiss vermarktet wurde. Danach ging er zu Philips CFT. Er wollte zunächst für verschiedene Kunden und Anwendungen arbeiten, bevor er sich aufgrund seiner Faszination für den Betrieb von Lithografiemaschinen auf ASML konzentrierte. Im Jahr 2007 kam er als Architekt für Module von DUV-Systemen zum Unternehmen in Veldhoven. Seit kurzem ist er der mechanische Architekt für das System, das Hochdruck-Zinntröpfchen für die Erzeugung von EUV-Licht liefert.

Van de Rijdt sammelte seine ersten Lehrerfahrungen vor 25 Jahren, als die führenden Unternehmen der Branche mit einem Mechatronik-Meisterkurs begannen. „Ich habe dann eine Broschüre dazu geschrieben, Constructeursweetjes (Dinge, die ein Konstrukteur wissen muss). Dinge, die ich in meinen ersten zehn Berufsjahren erlebt hatte, die man normalerweise nicht in der Schule lernt, die aber für einen Designer sehr nützlich sind. Zum Beispiel, was Sie in Bezug auf Toleranzen beim Fräsen beachten müssen. Oder was Sie erwarten können, wenn Sie mit dem Schweißen eines Materials beginnen. Also nicht die Konstruktionsprinzipien, sondern hauptsächlich praktische Aspekte der Herstellbarkeit. Das habe ich in der Meisterklasse gelehrt, und Wälzlager war eines der Module, die darin enthalten waren.“

Vermeulen hat auch eine lange Erfahrung in der Lehre, insbesondere bei TUE und Philips, und zwar im Bereich Designprinzipien. „Und ich trage schon seit einigen Jahren zur Ausbildung von Architekten bei ASML bei. Als Systemarchitekt müssen Sie ohnehin eine Art Lehrer sein. Sie müssen Ihre Mitarbeiter in die Entscheidungsfindung einbeziehen und diese so erklären, dass sie sie verstehen.“ Seit kurzem trägt er auch zu den Schulungen Mechatronics System Design und Design Principles for Precision Engineering der Mechatronics Academy bei. Lagerungsprinzipien für Präzisionsbewegungen ist die erste, die er selbst zusammen mit Van de Rijdt entwickelt. „Unsere bisherige Zusammenarbeit hat immer Spaß gemacht; wir ergänzen uns gut.“

Dieser Artikel wurde von Hans van Eerden, freier Mitarbeiter bei High-Tech Systems, verfasst.