Passive Dämpfung: zunehmend Teil des Standardwerkzeugs eines High-Tech-Ingenieurs

Veröffentlicht am: 05 Dezember 2018

Autor:

René Raaijmakers

Technischer Redakteur, Autor, Geschäftsführer

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Experte:

Dr. Kees Verbaan

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Passive Dämpfung ist schon seit geraumer Zeit ein Standardwerkzeug für Bauingenieure und Architekten. Maschinenbauingenieure, die für eine Genauigkeit im Mikrometerbereich konstruieren, versuchten jedoch in der Regel, den Einsatz von Dämpfung zu vermeiden. Jetzt, da die High-Tech-Welt in den Bereich der Sub-Nanometer-Präzision vorgedrungen ist, entdecken Maschinenbauingenieure mehr und mehr, dass passive Dämpfung eine wirksame Medizin für die heutigen Präzisionskrankheiten ist.

In den letzten Jahren hat sich die passive Dämpfung mehr und mehr zu einem Standardwerkzeug für Präzisionsingenieure entwickelt. Es ist kein Zufall, dass der fünftägige Schulungskurs Design Principles for Precision Engineering diesem Thema einen ganzen Tag widmet. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung der passiven Dämpfung für Systeme mit Subnanometer-Positionsanforderungen hat die Mechatronics Academy, Partner des High Tech Institute, einen speziellen Schulungskurs zu diesem Thema entwickelt. Die Top-Experten Hans Vermeulen und Kees Verbaan unterrichten diesen neuen Kurs Passive Dämpfung für High-Tech-Systeme.

Hans Vermeulen kam in den späten neunziger Jahren bei Philips CFT erstmals mit passiver Dämpfung in Berührung. Seit Mitte 2000 arbeitet er bei ASML, wo diese Technologie inzwischen in verschiedenen Subsystemen implementiert wurde, um eine Präzision im Sub-Nanometerbereich zu erreichen. Außerdem ist er einen Tag pro Woche als Professor an der TU Eindhoven tätig. Ungehindert von der täglichen Hektik in Veldhoven kann Vermeulen sich unter anderem auf die passive Dämpfung konzentrieren. Die Tatsache, dass seine Vorlesungen auf diesem Gebiet schon vor einigen Jahren begonnen haben, zeigt, dass die passive Dämpfung im Mittelpunkt des Interesses steht.

Hans Vermeulen informiert, dass ASML zunehmend passive Dämpfung einsetzt, um Sub-Nanometer-Präzision zu erreichen.

Kollege und Trainer Kees Verbaan promovierte 2015 über robuste Massendämpfer für Bewegungstische. Er arbeitet für die NTS Group, einen erstklassigen Zulieferer für den Hightech-Maschinenbau. In seiner Rolle als Systemarchitekt sieht Verbaan, wie sich die passive Dämpfungstechnologie in vielen High-End-Unternehmen durchsetzt.

Der Systemarchitekt Kees Verbaan, der über robuste Massendämpfer promoviert hat, sieht nun, wie sich sein Fachgebiet etabliert.

In der Welt der großen Dimensionen (Zentimeter statt Nanometer) ist die passive Dämpfung überall anzutreffen. Legen Sie Ihren Finger auf eine vibrierende Stimmgabel oder nageln Sie einen großen Teppich an die Wand und schon haben Sie eine passive Dämpfung. In der Automobilindustrie wird sie häufig bei Autotüren eingesetzt. Eine Schicht aus Anti-Knall-Folie sorgt für ein gutes Klangerlebnis. Wenn Sie die Tür schließen, hören Sie das Blech nicht ärgerlich mitschwingen: Die Dämpfungsschicht sorgt für den sanften Klang, den wir mit Qualität assoziieren. Die Energie verbleibt nicht als kontinuierliche Schwingung im Material, sondern wird über eine Bitumenschicht auf der Innenseite der Tür in Wärme umgewandelt. Ein ziemlich extremes Beispiel für ein passiv dämpfendes Design finden Sie im Taipei 101, dem höchsten Gebäude der gleichnamigen taiwanesischen Hauptstadt. Da Erdbeben und Taifune recht häufig auftreten, ist das 101-stöckige Gebäude mit einem abgestimmten Massendämpfer ausgestattet, einer riesigen kugelförmigen Masse von mehr als achthundert Tonnen, die an der Spitze des Gebäudes an vier Seilen hängt und mit großen viskosen Dämpfern versehen ist. Bei Erschütterungen, die durch Erdbeben oder schwere Stürme verursacht werden, bewegt sich die Kugel phasenverschoben und absorbiert so einen großen Teil der kinetischen Energie des Gebäudes. ‚Ähnliche Techniken halten jetzt auch Einzug in die Hightech-Welt‘, sagt Hans Vermeulen. In den letzten Jahren wurden Dämpfungsschichten – so genannte Zwangsschichten – in Hochpräzisionsbühnen eingesetzt und abgestimmte Massendämpfer verwendet, um störende Vibrationen bei bestimmten Frequenzen zu unterdrücken und die Genauigkeit des gesamten Systems zu erhöhen.

Im Hightech-Maschinenbau wurde die Anwendung passiver Dämpfung lange Zeit vermieden und umgangen. Das liegt vor allem daran, dass die Konstrukteure ihre Ziele mit dem traditionellen Ansatz erreichen konnten (und oft immer noch können), relativ steife Strukturen aus Metall oder Keramik und Metallfedern zu verwenden, um ein vorhersehbares Verhalten zu erreichen.

Kunststoffe, Gummi und Verbundwerkstoffe

Obwohl der Einsatz von Kunststoffen, Gummimaterialien und Verbundwerkstoffen unerwünschte Schwingungen erheblich reduzieren kann, war die Anwendung nie besonders beliebt, weil das hysteretische Verhalten dieser Materialien Präzisionssysteme potenziell unberechenbar macht. Ein weiterer Grund ist, dass analytische Werkzeuge wie die Finite-Elemente-Analyse und die erforderlichen Computer lange Zeit nicht über eine ausreichende Rechenleistung verfügten, um das komplexe Verhalten zu berechnen, das notwendig ist, um den Einfluss der passiven Dämpfung in Strukturen aus exotischen Materialien richtig vorherzusagen. In den letzten Jahren haben sich die Dinge jedoch geändert.

Es mag eine Binsenweisheit sein, aber sie ist immer noch sehr wahr: In der Welt der High-Tech-Systeme steigen die Anforderungen an die Präzision ständig. Halbleiterhersteller wollen lithografische Maschinen, die zuverlässig Muster mit einer Präzision im Sub-Nanometerbereich herstellen können. Biotechnologen benötigen Mikroskope, mit denen sich DNA-Strukturen auf atomarer Ebene abbilden lassen, und Mediziner sind auf Diagnosegeräte angewiesen, die nach Möglichkeit eine molekulare Auflösung bieten. In allen Bereichen steigen die Anforderungen, so dass sich Konstrukteure und Architekten nicht mehr auf ihre Standardwerkzeuge verlassen können.

Es scheint, dass die passive Dämpfung hier einen sehr wichtigen Beitrag leisten kann. Der Ansatz hat sich als wirksam erwiesen, auch bei den High-Tech-Geräten. Das Schöne an der Dämpfung ist, dass eine ganz neue Trickkiste zum Einsatz kommt“, sagt Verbaan. Präzisionsingenieure profitieren wirklich von ein paar zusätzlichen Figuren auf ihrem Schachbrett. Das gefällt mir, denn im traditionellen Werkzeugkasten eines Herstellers gab es nur drei volle Schubladen. Jetzt stellt sich heraus, dass es drei weitere gibt, und die sind voll mit neuen Arten von Werkzeugen, die er vorher nicht benutzt hat.‘ Er unterstreicht, dass die Dämpfung eine Erweiterung des Lösungsraums ist, kein Ersatz. ‚Wenn Sie das traditionelle Design nicht beherrschen, werden Ihnen die Ergänzungen nicht viel bringen.‘

Als die Anforderungen noch weniger anspruchsvoll waren, waren Designer an den vorhersehbaren Lösungsraum aus Massen und Federn gewöhnt“, sagt Vermeulen. Bei der traditionellen Konstruktion haben Sie es mit linearen Beziehungen zu tun, z. B. mit Beziehungen zwischen Kraft und Position oder Spannung und Dehnung. Um die negativen Auswirkungen von Verstärkungen bei Resonanz zu begrenzen, stellen die Designer sicher, dass die Eigenfrequenzen des Systems hoch genug sind. Das bedeutet, dass sie leichte und steife Konstruktionen mit geringer Masse und hochsteifen Materialien und Geometrien verwenden. ‚

Monolithische Blattfeder

Das Hooke’sche Gesetz besagt eine lineare Beziehung zwischen Kraft und Position oder Spannung und Dehnung für linear elastische Materialien. Das bedeutet, dass ein elastisches Material genau in seine ursprüngliche Position zurückkehrt. Das ist schön, denn solange Sie die Kräfte kennen, die auf das System wirken, können Sie die Position genau vorhersagen. Nehmen Sie das Beispiel einer monolithischen Blattfeder, einem massiven Metallblock, der mit Löchern und Schlitzen zu einem Mechanismus verarbeitet wurde, der auf Massen und Federn basiert. Eine solche Struktur weist ein reproduzierbares lineares Verhalten auf, frei von Hysterese. Aus der Sicht der Steuerung kann dieser Ansatz jedoch zu Problemen führen, wenn eine höhere Präzision erforderlich ist.

Typische Konstruktion mit integrierter abgestimmter Massendämpfung. Foto: Janssen Precision Engineering.

Beispiel für eine monolithische Blattfeder. Ein massiver Metallblock wird mit Löchern und Schlitzen zu einem Mechanismus verarbeitet, der auf Massen und Federn basiert. Eine solche Struktur zeigt ein reproduzierbares lineares Verhalten, hat aber den Nachteil, dass sie ‚wie eine Uhr klingt‘.

Bei dieser Art von Konstruktion leidet das Steuerungssystem unter lang anhaltenden Vibrationen. Resonanzen können durch Kräfte innerhalb des Systems selbst, wie z.B. aufgezwungene Bewegungsprofile, aber auch durch äußere Einflüsse, z.B. Bodenvibrationen oder Luftverschiebungen, angeregt werden. Ohne Dämpfung verbleiben diese Schwingungen lange Zeit im System. Die Vibration kann die Schwingungsenergie nicht loswerden.

Maschinenbauingenieure neigen dazu zu sagen: „Es klingt wie eine Uhr“, und in diesem Fall ist das keine positive Feststellung. Hochfrequente Resonanzen lassen sich im Allgemeinen nur schwer durch aktive Kontrolle beseitigen. Deshalb versuchen Systemdesigner immer sicherzustellen, dass diese Arten von Resonanzen außerhalb des interessierenden Bereichs liegen. Das bedeutet, dass die erste Eigenfrequenz in der Regel etwa fünfmal höher als die Bandbreite ausgelegt wird. So wird das Kontrollsystem im unteren Frequenzbereich nicht beeinträchtigt. Durch Störungen verursachte Vibrationen treten zwar auf, aber sie wirken sich nicht leistungseinschränkend aus.

Wenn jedoch die Anforderungen an die Genauigkeit steigen, sind Designer, die den traditionellen Ansatz verwenden, gezwungen, höhere Eigenfrequenzen innerhalb des Entwurfs zu erreichen. Die Anforderungen steigen“, sagt Programmmanager Adrian Rankers von der Mechatronics Academy. Das wird ein Ende haben, denn es ist nicht mehr herstellbar.

Aversion

Der traditionelle Ansatz war für High-Tech-Systementwickler viele Jahre lang ausreichend. Aber auf der Suche nach immer größerer Präzision befassen sich jetzt alle Anbieter von High-End-Systemen mit den Möglichkeiten der Implementierung passiver Dämpfung. Vermeulen: ‚Ich wage zu behaupten, dass sie in der High-Tech-Systemindustrie zum Standard wird. Nicht jeder ist damit vertraut, aber es breitet sich aus.‘ Verbaan: ‚Die großen Akteure wie ASML, Philips, TNO und ThermoFisher haben die Zeit, ihr Wissen zu erweitern und zu forschen.‘

Vermeulen: `Dämpfung bedeutet, dass Sie vom linearen elastischen Verhalten von Materialien, wie es durch das Hooke’sche Gesetz definiert ist, abweichen. Das liegt daran, dass das Material einen Teil der Energie in Wärme umwandelt. Wenn Sie die Kraft gegen die Dehnung in einem Diagramm auftragen, wird die Dissipation durch die Hystereseschleife ausgedrückt. Die Fläche dieser Schleife ist proportional zur dissipierten Energie: die Dämpfung, die Sie der Struktur geben können.’Darüber hinaus sind die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften von Gummi temperatur- und frequenzabhängig (für Spezialisten: lineare viskoelastische Modelle können für Gummi verwendet werden). Daher wurden diese Arten von Dämpfungsmaterialien lange Zeit vermieden: ein System kann unter denselben Belastungsbedingungen unterschiedliche Zustände annehmen. Vermeulen: ‚Das bedeutet Unsicherheit in der Position. Präzisionsingenieure haben eine Abneigung dagegen. Mit Dämpfung weichen Sie von der linearen Beziehung ab. Sie durchlaufen eine Hystereseschleife, wenn die Kraft zunimmt und wieder abnimmt, und Sie wissen nicht genau wie, da nicht alle Kräfte, die auf das System einwirken, genau bekannt sind. Oft gibt es Störungen von außen und dann können Sie in einer Position landen, die vorher nicht vorhergesagt wurde. Wir haben eigentlich lange Zeit versucht, diese Unsicherheit zu vermeiden. Daher hat jeder im Bereich der High-Tech-Systeme die Dämpfung vermieden und die Dinge traditionell mit Massen und Federn konstruiert. Aber ab einem bestimmten Zeitpunkt sind die Möglichkeiten zu Ende.

Gift

Das Gift befindet sich jedoch in der oben erwähnten Hystereseschleife. Es ist komplizierter, das Verhalten richtig vorherzusagen, denn das System kann sich wie erwähnt in verschiedenen Zuständen befinden. Das bedeutet, dass die Bedienung und Steuerung in Umgebungen, in denen Bodenvibrationen und kleine Schwankungen des Luftdrucks oder der Temperatur große Störungen verursachen, komplex ist. Ein sanftes Ausatmen über einem Wafertisch sorgt bereits für eine stehende Welle mit einer Amplitude von mehreren zehn Nanometern, während die Tische auf Sub-Nanometer-Ebene gesteuert werden müssen.In den letzten Jahrzehnten hat sich das Streben nach dem heiligen Gral eines vollständig vorhersagbaren Verhaltens von Führungsbahnen darin ausgedrückt, Reibung so weit wie möglich zu vermeiden – und auch für Energiedissipation, also Dämpfung, zu sorgen. In vielen Anwendungen ist die Coulomb-Reibung nicht erwünscht“, sagt Vermeulen. Außerdem funktionieren rRolling Elements nicht in jeder Situation. Deshalb sind Luftlager so beliebt. Sie haben kaum Reibung. 1961 setzte IBM bereits Luftlager in seinen Festplattenlaufwerken ein. Lithografische Geräte, die in den sechziger und siebziger Jahren im Physiklabor von Philips entwickelt wurden, waren mit nahezu reibungsfreien Öllagern ausgestattet und verwenden heute in mehreren Systemen die Luftlagertechnologie. Vermeulen: ‚Mit der klassischen Trickkiste, um reibungsfreie Führungen zu konstruieren, Spiel zu vermeiden und Federn mit hoher Steifigkeit und begrenzter Masse einzusetzen, konnten wir das Verhalten lange Zeit vorhersehbar machen. Aber für Anwendungen im Nanometerbereich und darüber hinaus ist das nicht mehr ausreichend.‘

Wackeliger Pizzateller

Bis vor kurzem war der klassische Ansatz für die Entwicklung von Bewegungstischen für Wafer-Stepper und -Scanner gut geeignet. Durch die Verwendung von Strukturmetallen und Keramiken kann ein solcher Tisch leicht und steif gemacht werden. Die Eigenfrequenzen sind so hoch, dass sie für die Steuerung mit hoher Bandbreite keine Einschränkung darstellen. Die Anforderungen an die Subnanometerpräzision machen jedoch die Einführung strengerer Schritte erforderlich.

Verbaan untersuchte während seiner Promotion den Einfluss der passiven Dämpfung auf ein Positionierungssystem für 450-Millimeter-Wafer. Eine solche Bühne hat Außenabmessungen von 600 mm im Quadrat. Auf der Nanometerebene ist es so, als ob man eine wackelige Pizzascheibe mit den Händen ruhig halten müsste“, sagt Verbaan. Er verglich verschiedene Materialien und untersuchte und optimierte mit Finite-Elemente-Analysen den Einfluss von Massenverteilungen auf die Leistung.

Ein so großes System ist anfällig für mehrere Resonanzfrequenzen. Um die Bühne genau steuern zu können, müssen diese Resonanzen unterdrückt werden. Für eine Frequenz ist klar, wie das geht, und man kann das auch in einem einfachen Modell darstellen. Aber wenn Sie mehrere Resonanzspitzen über ein breites Frequenzband haben, ist das praktisch unmöglich. Dann erhalten Sie ein Modell, das zu komplex ist, um es zu handhaben.

Das ist genau das, was Ingenieuren in der Praxis begegnet. Die erste „Hürde“, die die Leistung eines Systems einschränkt, ist die erste Eigenfrequenz. Das ist die Frequenz, bei der ein Objekt heftig zu vibrieren beginnt, wenn die Frequenz erhöht wird. Der traditionelle Ansatz besteht darin, zu versuchen, diese Frequenz zu erhöhen. Wenn die Mittel dafür ausgeschöpft sind, kann die Dämpfung helfen, die Resonanzamplituden zu unterdrücken. Die erste Eigenfrequenz eines quadratischen Wafers ist zum Beispiel der Torsionsmodus, bei dem sich zwei Paare von gegenüberliegenden Ecken in Phase bewegen. Aber bei höheren Frequenzen fängt alles an zu rasseln. Das liegt an den zahlreichen Teilen und Komponenten, die am Tisch befestigt sind, wie z.B. Stecker und Sensoren. Mehrere kleine Massen, die bei Kilohertz schwingen. Sie werden letztendlich das dynamische Verhalten bestimmen. Weil es so viele sind, können Sie das Problem nicht durch aktive Filterung im Kontrollsystem lösen. Mit passiver Dämpfung können Sie all das jedoch lösen“, sagt Vermeulen.

Hans Vermeulen zeigt, wie die Dämpfung eine Resonanzspitze in einem Diagramm reduzieren kann.

Verbaan: Was hilft, ist, dass sich dämpfende Materialien wie Gummi und Flüssigkeiten und die Dämpfer, die Sie mit diesen Materialien entwerfen, bei diesen hohen Frequenzen typischerweise sehr gut verhalten, vor allem wegen der frequenzabhängigen Materialeigenschaften. Bei niedrigen Frequenzen verhalten sie sich wie eine Feder mit geringer Steifigkeit und geben daher ein wenig nach, aber bei höheren Frequenzen werden sie viskos.‘ Die Schulung von Vermeulen und Verbaan macht deutlich, dass man das Feld der Dämpfung zwar extrem schwierig gestalten kann, dass es aber auch sehr gute Faustregeln und einige sehr nützliche Konstruktionsprinzipien gibt. Verbaan: ‚Unser Ziel ist es, die gesamte Palette der Möglichkeiten zu skizzieren und sicherzustellen, dass die Kursteilnehmer mit dem richtigen Ansatz zu einer Lösung kommen. Man kann moderne Computer tagelang oder sogar wochenlang rechnen lassen, aber dann muss man ein echter Spezialist sein. Wir wollen den Kursteilnehmern verschiedene Möglichkeiten zur Anwendung der Dämpfung vermitteln. Sie lernen die Hintergründe der Modellierung, aber auch die einfache Herangehensweise an das Problem, damit sie die Dämpfung richtig anwenden können. ‚

Potenzielle Studenten sind zum einen Menschen mit einem Hintergrund in Konstruktionsprinzipien“, sagt Rankers. Sie wollen die Dämpfung in der Praxis anwenden. Andererseits werden sich auch Systemarchitekten dafür interessieren, damit sie sich der Möglichkeiten bewusst sind, die Dämpfung bieten kann.

Kees Verbaan zeichnet einen Bewegungstrainingstisch, der in einer vertikalen Position konstant gehalten werden muss. Auf einen solchen Tisch wirken alle möglichen Kräfte, von horizontalen Motoren zur Beschleunigung bis hin zu vertikalen Aktuatoren, die den Wafer auf dem Tisch in der richtigen Höhe halten. Bei der ersten Schwingungsform bewegen sich die gegenüberliegenden Ecken gleichzeitig nach oben oder unten, während sich die anderen Ecken in die andere Richtung bewegen. Das Ergebnis kann in der Größenordnung von zehn Nanometern liegen, während der Tisch eine Positionskontrolle im Subnanometerbereich benötigt.

Vermeulen und Verbaan betonen, dass passive Dämpfung kein ‚Wunderöl‘ ist. Ein ganzheitlicher Designansatz ist unerlässlich. Ich habe Ingenieure sagen hören: Lassen Sie den Fehler erst einmal drin, wir werden ihn später mit Kontrollen lösen“, sagt Verbaan. Er sagt, dass die Leute manchmal mit Systemen zu ihm kommen, die nicht die gewünschte Leistung erbringen, und ihn fragen, ob sie das Problem mit passiver Dämpfung beheben können. Verbaan: ‚Manchmal wird das zu einfach gehandhabt. Sie dürfen nicht einfach die Grundlagen einer soliden mechanischen Konstruktion vergessen. Alles beginnt mit einer leichten und steifen Konstruktion, die unbestreitbar notwendig ist, auch für das richtige Funktionieren der Dämpfung. Im Kurs ‚Passive Dämpfung für High-Tech-Systeme‘ werden Verbaan und Vermeulen mehrere Dämpfungsmechanismen im Detail erläutern, wie z.B. Materialdämpfung, Dämpfung mit abgestimmter Masse und robuster Masse, Dämpfung mit Zwangslagen und Wirbelstromdämpfung. Ausgehend von Dämpfungsimplementierungen in anderen Anwendungsbereichen, wie z.B. im Bauwesen und in der Automobilindustrie, liegt der Schwerpunkt auf Design, Modellierung und Implementierung passiver Dämpfung in High-Tech-Systemen. Stan van der Meulen, Co-Trainer des Kurses, wird sich auf die Anwendung der viskoelastischen Dämpfung in einem Halbleiter-Wafertisch konzentrieren.

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von High-Tech Systeme.