Untersuchungen zylindrischer Gasführungselemente für Hochvakuumanwendungen

Heidler, Nils

Gasführungen werden in hochgenauen Positioniersystemen aufgrund Ihrer einzigartigen Eigenschaften genutzt. Positionierunsicherheiten bis in den unteren Nanometerbereich sind möglich. Werden diese Positioniersysteme in eine Vakuumumgebung überführt, müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden. Durch ein mehrstufiges berührungsloses Dichtsystem wird das Betriebsgas abgeführt und die Vakuumumgebung aufrechterhalten. Die resultierende Reduzierung des direkten Umgebungsdruckes der Gasführungselemente beeinflusst deren Eigenschaften. Die Arbeit präsentiert experimentelle und theoretische Untersuchungen an aerostatischen, zylindrischen Führungselementen mit poröser Drosselschicht. Der Einfluss des Umgebungsdruckes, des Speisegasdruckes und der konzentrischen Spalthöhe auf die statischen und dynamischen Eigenschaften der Führungselemente wird dargestellt. Die Ergebnisse der Arbeit belegen die Tauglichkeit der Gasführungselemente für den Hochvakuumeinsatz. Durch die Ableitung von Richtlinien wird die Auslegung von stabilen Führungselementen mit guten Trageigenschaften und geringem Gasverbrauch unterstützt.

The demands on high-precise and stable positioning systems within a vacuum environment can be fulfilled by aerostatic guiding elements. To reduce the gas flow of the supplied gas into the vacuum environment, contactless sealing and exhaustion systems are used. The resulting pressure reduction of the direct surrounding of the guiding elements influences their properties. This work presents experimental and theoretical results of investigations on aerostatic, cylindrical guiding elements with porous flow restriction for high-vacuum applications. The scope of this work is the investigation of the influence of the surrounding pressure, the supply pressure and the concentric bearing gap height on the static and dynamic properties of the guiding elements. The usage of gas guiding elements for high vacuum applications shall be qualified.Based on the theoretical description of the pressure profile within the bearing gap, a simplified and a FEM-based numerical flow model are developed. Using the models, the static properties (load-bearing capacity, static stiffness, tilt stiffness, gas consumption) of the gas guiding elements can be obtained. The dynamic properties include the damping parameters and the stability of the elements against self-excited oscillations. The damping behavior of the gas guiding elements is derived from the system response to a steplike excitation. For constant absolute supply pressures, the load-bearing capacity, the static stiffness as well as the gas consumption increases during the transmission into a vacuum environment. The rises can be verified by the presented models. For all conducted measurements, no self-excited oscillations occurred. That can be confirmed using a stability criterion based on the ratio of static and dynamic stiffness. The experimental damping investigations show a superposition of a low-frequency, very strong damped oscillation and a high-frequency, slightly damped oscillation. For excitation amplitudes of up to 2.5 µm the oscillations are decayed after approximately 70 ms.The results of the work prove the capability of gas guiding elements for the usage within a high vacuum environment. The derivation of guidelines supports the layout and design of stable guiding elements with good load-bearing properties and low gas consumption.

Eine hochgenaue, stabile Positionierung innerhalb einer Vakuumumgebung kann mit Hilfe von aerostatischen Führungselementen realisiert werden. Um das Abströmen des Speisegases in die Vakuumumgebung zu minimieren, wird im Stand der Technik ein mehrstufiges berührungsloses Dicht- und Absaugsystem verwendet. Die Evakuierung der ersten Absaugstufe hat eine Reduzierung des direkten Umgebungsdruckes der Gasführungselemente und somit eine Beeinflussung der Eigenschaften zur Folge. Die Arbeit präsentiert experimentelle und theoretische Ergebnisse zu Untersuchungen an aerostatischen, zylindrischen Führungselementen mit poröser Drosselschicht für Hochvakuumanwendungen. Ziel der Arbeit ist es, den Einfluss des Umgebungsdruckes, des Speisegasdruckes und der konzentrischen Spalthöhe auf die statischen und dynamischen Eigenschaften der Führungselemente zu ermitteln. Die Eignung der Gasführungselemente für Hochvakuumanwendungen soll nachgewiesen werden.Ausgehend von der theoretischen Beschreibung der Druckverteilung innerhalb des Lagerspaltes werden ein vereinfachtes und ein FEM-basiertes numerisches Strömungsmodell entworfen. Mit den Modellen können die statischen Eigenschaften (Tragkraft, statische Steifigkeit, Kippsteifigkeit, Gasverbrauch) eines Gasführungselementes ermittelt werden. Die dynamischen Eigenschaften beziehen sich auf die Dämpfungsparameter und die Stabilität der Elemente gegenüber selbsterregten Schwingungen. Das Dämpfungsverhalten der Gasführungselemente wird aus der Systemantwort auf eine sprungförmige Anregung abgeleitet.Für konstante absolute Speisegasdrücke steigen sowohl Tragkraft, statische Steifigkeit als auch Gasverbrauch durch den Übergang in eine Vakuumumgebung an. Die Anstiege können durch Berechnungen mit den vorgestellten Modellen gut wiedergegeben werden. Für alle durchgeführten Untersuchungen treten keine selbsterregten Schwingungen auf, was durch ein Stabilitätskriterium auf Basis von statischer und dynamischer Steifigkeit unterlegt wird. Die Dämpfungsuntersuchungen ergeben experimentell die Überlagerung einer niederfrequenten, sehr stark gedämpften Schwingung und einer hochfrequenten, schwach gedämpften Schwingung. Die Schwingungen sind für Auslenkungsamplituden von bis zu 2,5 µm nach ca. 70 ms abgeklungen.Die Ergebnisse der Arbeit belegen die Tauglichkeit von Gasführungselementen für den Hochvakuumeinsatz. Durch die Ableitung von Richtlinien wird die Auslegung von stabilen Führungselementen mit guten Trageigenschaften und geringem Gasverbrauch unterstützt.

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Heidler, Nils: Untersuchungen zylindrischer Gasführungselemente für Hochvakuumanwendungen. Ilmenau 2016. Universitätsverlag Ilmenau.

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