Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen

Schienbein, Ralf GND

Die vorliegende Arbeit beinhaltet Realisierungsmöglichkeiten des konstruktiven Aufbaus
von Fünfachs-Nanopositionier-und Nanomessmaschinen für die Messung und Fabrikation
makroskopischer Objekte mit Nanometerpräzision. Mit zusätzlichen rotatorischen Freiheiten
wird die Limitierung etablierter, überwiegend kartesisch operierender Nanopositionier-und
Nanomessmaschinen (NPMM) hinsichtlich der Adressierbarkeit stark gekrümmter Objektgeometrien überwunden. Es werden modular variierte Maschinenkonzepte im Hinblick auf die Realisierung mehrachsiger Bewegungen und unter der Voraussetzung der Erweiterbarkeit kartesischer NPMMs systematisch entwickelt und auf der Grundlage eines Klassifzierungssystems evaluiert. Ein hohes Potential zeigen Varianten mit drei unabhängigen linearen Bewegungen des Objektes in Kombination mit zwei unabhängigen Rotationen des Tools um einen gemeinsamen Momentanpol, der dauerhaft mit dem Arbeitspunkt des Tools (TCP) und dem Abbepunkt der kartesischen NPMM übereinstimmt. Insbesondere die Rotation des Tools um die Hochachse der NPMM mittels Drehtisch in Kombination mit einer Rotation in der horizontalen xy-Ebene unter Verwendung eines Goniometers zeigen einen hohen Erfüllungsgrad. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wird ein derartiger Aufbau innerhalb einer NPMM erprobt, der die Rotationen eines Tools mit einer Masse < 2 kg gewährleistet.
Eine asymmetrische Anordnung des Goniometers entlang dessen Hauptdrehachse erlaubt
den Einsatz von Tools, deren Gestalt das Arbeitsvolumen des Goniometers überschreitet. Es sind Rotationsbereiche des Tools von 360° um die Hochachse der NPMM und Neigungen zur Hochachse von 90° möglich. Die Integration ultrapräziser Rotationseinheiten
in die NPMM erfolgt unter Zuhilfenahme finite Elemente gestützter Modellbildung und daraus abgeleiteter Strukturoptimierung der Koppelstellen. Unter Anwendung von Laserinterferometern in Kombination mit einem geeigneten Retroreflektor im TCP werden Einfüsse der zusätzlichen rotatorischen Positioniersysteme, wie Verformungen und Positionierwiederholbarkeiten, in der NPMM in situ gemessen. Wie beispielhaft mit der Anwendung eines entwickelten Nanoimprinttools gezeigt, erlauben die erreichten Positioniereigenschaften eine Adressierung und Bearbeitung dreidimensionaler Körper mit stark gekrümmter Oberfäche. Ein entwickelter neuartiger Aufbau der Gesamtstruktur, bei dem für die kombinierte Messung der Positionierabweichungen Fabry-Pérot-Interferometer zur Anwendung kommen, gewährleistet den Einbezug der Rotationen in den geschlossenen Regelkreis, wodurch die Mess-und Bearbeitungsgenauigkeit erhöht und die Prozesszeit verkürzt werden. Die Interferometer erfassen die Positionierabweichungen gegenüber einem halbkugelförmigen Konkavspiegel, der mit dem metrologischen Rahmen der NPMM direkt verbunden ist. Abschließend werden Konstruktionsrichtlinien für die Entwicklung von Fünfachs-Nanopositionier-und Nanomessmaschinen zusammengefasst.

This thesis adresses the development of new concepts of the design of five-axis nanopositioning and nanomeasuring machines for the measurement and fabrication in macroscopic volumes while keeping the precision in the nanometer range. With additional rotations, the limitations of established, mainly Cartesian operating nanopositioning and nanomeasuring machines (NPMM) regarding the addressability of strongly curved object geometries are solved. Modularly varied machine concepts are systematically developed and evaluated on the basis of a classification system with regard to the realization of multi-axis movements and under the condition of the expandability of Cartesian NPMMs. A high potential is given by variants with three independent linear movements of the object in combination with two independent rotations of the tool around a common instantaneous centre, which permanently corresponds to the operating point of the tool (TCP) and the Abbe point of the Cartesian part of the NPMM. Especially the rotation of the tool around the vertical axis of the NPMM using a precision rotation stage in combination with a rotation in the horizontal xy-plane using a goniometer show a high degree of fulfillment. Within the scope of experimental investigations, a corresponding setup within a NPMM is investigated, which guarantees the rotations of a tool with a mass of < 2 kg. An asymmetrical arrangement of the goniometer along its main axis of rotation allows the use of tools whose geometry exceeds the working volume of the goniometer. Tool rotation ranges of 360° around the vertical axis of the NPMM and inclinations to the vertical axis of 90° are possible. The influence of the additional positioning systems on the existing structure of NPMMs are investigated and solutions for the optimization of the overall system with regard to reproducibility and longterm stability are developed. For this purpose, comprehensive FEA simulations are carried out and structural improvements are derived via topology optimizations. Using laser interferometers in combination with a suitable retroreflector in the TCP, influences of the additional rotary positioning systems, such as positioning repeatabilities, are measured in situ in the NPMM. As shown exemplarily with the application of a developed nanoimprint tool, the achieved positioning properties allow addressing and processing of three-dimensional objects normal to their strongly curved surface. A developed new type of overall structure, in which Fabry-Pérot interferometers are used for the combined measurement of positioning deviations, ensures that the rotations are included in the closed control loop, thus increasing the measurement and machining accuracy and reducing the operating time. The interferometers measure the positioning errors against a hemispherical concave mirror directly mounted to the metrological frame of the NPMM. After all, the knowledge gained is formed into general rules for the design of five-axis nanopositioning and nanomeasuring machines.

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