• Like
  • Save

Loading…

Flash Player 9 (or above) is needed to view presentations.
We have detected that you do not have it on your computer. To install it, go here.

09.50 Dhr Reynaerts

  • 503 views
Uploaded on

 

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
No Downloads

Views

Total Views
503
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
0
Comments
0
Likes
1

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. Micro- en precisiebewerkingen Leuven, 10 Oktober 2010 Precisiebewerken, meer dan een proces alleen Prof. Dr. Ir. D. Reynaerts, K.U.Leuven dominiek.reynaerts@mech.kuleuven.be Inhoud • Bewerkingsprincipes • Case 1: Ultra-precies slijpen • Case 2: ultra-precies meten • Case 3: uitlijning op de machine • Besluit PDF slides beschikbaar op: people.mech.kuleuven.be/~domi/mikrocentrum 2
  • 2. Bewerkingsprincipes 1 • Bewerkingsnauwkeurigheid • Elementtechnologie • Bewerkingseenheid • Kopieerprincipe • Evolutieprincipe • Anisotropieprincipe • Principe van Abbe • Werkstukmateriaal • Distortieloos opspannen • Bewerken in meerdere stappen • In-situ bewerken (1) H. Nakazawa, Principles of precision engineering 3 Bewerkingsprincipes • Bewerkingsnauwkeurigheid • Elementtechnologie • Bewerkingseenheid • Kopieerprincipe Case 1: ultra-precies slijpen • Evolutieprincipe • Anisotropieprincipe • Principe van Abbe • Werkstukmateriaal • Distortieloos opspannen • Bewerken in meerdere stappen • In-situ bewerken 4
  • 3. Bewerkingsprincipes • Bewerkingsnauwkeurigheid • Elementtechnologie • Bewerkingseenheid • Kopieerprincipe Case 2: ultra-precies meten • Evolutieprincipe • Anisotropieprincipe • Principe van Abbe • Werkstukmateriaal • Distortieloos opspannen • Bewerken in meerdere stappen Case 3: uitlijning op de machine • In-situ bewerken 5 Case 1: Ultra-precies slijpen • Proces: – ELID-slijpen: ELectrolitic In process Dressing Oxide laag Koelvloeistof Scherpe korrel Werkstuk Elektrode Toevoer elektrolyt Dunne “Metal bond” slijpwiel Botte korrel oxide laag – Voordelen: • Stabiele slijpcondities • Condities voor ductiele materiaalafname behouden • Minimale oppervlaktebeschadiging • Minimale polijstbewerking vereist 6
  • 4. Case 1: Ultra-precies slijpen • Traditioneel ontwerp: grote Abbe offset e Abbe = Δ Abbe ⋅ θ θ Δ Abbe Y Z X Niet-ideale Z-geleiding 7 Case 1: Ultra-precies slijpen • Conventionele configuratie – Positiemeting op onderliggende slede • Onopgemerkte thermische vervormingen • Onopgemerkte vervormingen t.g.v. bewerkingskrachten • Onopgemerkte geleidingsfouten in tussenliggende sledes Y Z X Fouten door externe krachten Fouten door thermische uitzetting 8
  • 5. Case 1: Ultra-precies slijpen • Meetconcept F25 / Nano-CMM (Tue) Bewegende lineaire encoder Bewegende lineaire encoders Laserinterferometrie ISARA (TU Delft/IBS) 9 Case 1: Ultra-precies slijpen Y • Meetconcept X Juk Z C Werkstukspil Gereedschapsspil A 10
  • 6. Case 1: Ultra-precies slijpen 11 Case 1: Ultra-precies slijpen 12
  • 7. Case 1: Ultra-precies slijpen 13 Case 1: Ultra-precies slijpen • Referentiemeetframe (RMF) • Hitteschild: compensatie voor beperkte warmtegeleiding RMF Aluminium plaat Aluminium buis: “thermische kortsluiting” Invar meetframe Aluminium plaat 14
  • 8. Case 1: Ultra-precies slijpen • Meetlus tijdens slijpen • Meetlus tijdens nameten 15 Case 1: Ultra-precies slijpen • Totaalconcept 16
  • 9. Case 1: Ultra-precies slijpen • Ontwerpvoorbeelden: Meetframes – Vereisten: Stabiel gedurende lange tijd (0.1 um gedurende 4 uur) – Thermisch stabiel – Materiaalkeuze (uitzettingscoëfficiënt , geleidbaarheid , warmtecapaciteit) • Keuze doorsnede: maximale geleidbaarheid -> volle doorsnede 17 Case 1: Ultra-precies slijpen • Ontwerpvoorbeelden: Meetframes – Lage vervormingen t.g.v. trillingen en opgelegde versnellingen • Goede trillingsisolatie: of • Voldoende hoge eigenfrequenties (licht en stijf) • Materiaalkeuze (-> stijfheid / dichtheid ) • Keuze doorsnede: licht en stijf -> holle doorsnede – Lage vervorming t.g.v. vervorming van de onderliggende structuur Hoge stijfheid / massa Lage stijfheid / massa 18
  • 10. Case 1: Ultra-precies slijpen • Gereedschapsmeetframe – Materiaalselectie: Invar (Invar= 1.8 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K ) – Massieve doorsnede -> maximale warmtegeleidbaarheid – Minimale massa aan de uiteinden -> hoge eigenfrequenties – Bevestigd op bladveren -> laat uitzetting van gereedschapsspil toe 19 19 Case 1: Ultra-precies slijpen • Gereedschapsmeetframe – Berekeningsvoorbeeld: “Eindige elementen berekening” Resulterende meetfout < 0.01 μm 1,1 μm (1°C) Effect uitzetting gereedschapsspil Resulterende fout t.g.v. versnellingen < 0.005 μm Laagste eigenfrequentie ≈ 160 Hz 20 20
  • 11. Case 1: Ultra-precies slijpen • Werkstukmeetframe – Materiaalselectie: Zerodur (Zerodur= 0,1 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K ) – Monolytische opbouw voor maximale stabiliteit – Massa reductie dank zij holtes -> hoge eigenfrequenties – Bevestigd op bladveren -> laat uitzetting van werkstukspil toe 21 21 Case 1: Ultra-precies slijpen • Referentiemeetframe: – Materiaalselectie: Invar (Invar= 1.8 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K ) – Holle constructie -> hoge eigenfrequentie 22
  • 12. Case 1: Ultra-precies slijpen Prestaties geregeld systeem • Haarbare bandbreedte: • Collocated actuator/sensor-paar: fb ≤ fr • Non-collocated actuator/sensor-paar: f b < f r /( 5 ... 10 ) Fact Xgew + Fact Actuator Last X Regelaar m1 m2 - Xact Xlast 23 Case 1: Ultra-precies slijpen • Prestaties geregeld systeem – Vereenvoudigd 1D model - + Werk- Werkstuk- Gereed- Gereed- stuk tafel en -as schap schaps- Juk en as spil Slijpproces Machineframe Model omloopspil Zdes - + Mact Positieregelaar Snelheidsregelaar 24
  • 13. Case 1: Ultra-precies slijpen • Prestaties geregeld systeem – Resulterende stijfheid FC FC FWT FG HF WT ,ZWT - Zframe HF C ,ZWT - ZG HF G ,ZG - Zframe 25 Case 1: Ultra-precies slijpen • Fouten analyse budget – Fout tijdens het slijpen: • Repeteerbaar: 1.673 nm pp • Niet repeteerbaar: 156 nm pp • Fout tijdens het nameten: – Repeteerbaar en niet-repeteerbaar: 220 nm pp • Haalbare bewerkingsnauwkeurigheid: – Beoogde nauwkeurigheid (300 nm ptp) ligt binnen bereik • Voornaamste foutbronnen: – Meetonzekerheid lasers t.g.v. turbulentie – Kalibratie referentie spiegels – Vervorming van RMF t.g.v. trillingen en thermische gradiënten 26
  • 14. Case 1: Ultra-precies slijpen Gereedschapsspil Hydrostatisch lager Recirculatiekanalen olie Invar as 27 Case 1: Ultra-precies slijpen Gereedschapsmeetframe NiP-gecoate referentiering Bladveer 28
  • 15. Case 1: Ultra-precies slijpen Juk, lagering en ondersteuning 29 Case 1: Ultra-precies slijpen Werkstukmeetframe 30
  • 16. Case 1: Ultra-precies slijpen Referentiemeetframe 31 Case 1: Ultra-precies slijpen Machineframe 32
  • 17. Case 1: Ultra-precies slijpen • Unieke machineconcept gekenmerkt door: – Eindpuntmeting van werkstuk en gereedschap – Gebruik van meetframes – On-machine vormen van het gereedschap – Compensatie gereedschapsslijtage – Verticale kantelas voor constante impact zwaartekracht – On-machine nameten van het werkstuk – Toepassen (veralgemeend) Abbe-principe tijdens slijpen en nameten – Hitteschild met “thermische” kortsluiting • Vooropgesteld vormnauwkeurigheid blijkt binnen bereik (300 nm ptp) 33 Bewerkingsprincipes • Bewerkingsnauwkeurigheid • Elementtechnologie • Bewerkingseenheid • Kopieerprincipe Case 2: ultra-precies meten • Evolutieprincipe • Anisotropieprincipe • Principe van Abbe • Werkstukmateriaal • Distortieloos opspannen • Bewerken in meerdere stappen Case 3: uitlijning op de machine • In-situ bewerken 34
  • 18. Case 2: Ultra-precies meten • Metingen zijn een groot probleem op micro/precisieschaal • Rechtstreekse invloed op de bewerkingsnauwkeurigheid • Overzicht van de problemen – Tijdsefficient meten • Sub-surface damage • Nano CMM aantoetsen – Niet-destructief meten • Inwendige boringen (maat, vorm, oppervlaktegesteldheid) – Reproduceerbaarheid, vergelijkbaarheid • Verschillende technieken voor dezelfde grootheid – Traceerbaarheid 35 Case 2: Ultra-precies meten • Toepassingen in de micro en nanotechnologie Image: Veeco Informatietechnologie – Harddisk oppervlakte kwaliteit – Dimensies leeskop BASF Electronica Materiaalkunde – dimensies – Distributie nanodeeltjes – EUV-lithografie Inspectie – Dimensies nanodeeltjes MEMS Optica – ruwheid – ruwheid – dimensies –-vorm KULeuven 36
  • 19. Case 2: Ultra-precies meten • Meetprincipe voor hoge nauwkeurigheid – Microprobe vaste positie in ruimte – Interferometers meten bewegingen vh sample – Rechtstreeks herleidbare metingen – Abbe-fout beperkt – Mechanisch en thermisch ontwerp 37 Case 2: Ultra-precies meten • Metrologische AFM • IJktoestel ontworpen voor FOD Economie, KMO, Middenstand en Energie Specificaties Ontwerpcriteria: 1 nm nauwkeurigheid 100 μm x 100 μm x 100 μm kalibratie nanogrids rechtreekse metingen 38
  • 20. Case 2: Ultra-precies meten • Ontwerp metrologische AFM • Invar metrologieframe • Symmetrisch ontwerp • Gescheiden kracht- en meetlus 39 Case 3: Uitlijning op de machine • Probleemstelling – Meerdere precisiebewerkingen op 1 stuk • Herpositioneren MacroNanochuck • Operaties op verschillende machines • Off-machine meten – Grijpprobleem • Omkeren van stukken (=herpositioneren) Flip chuck • Grijpen op nauwkeurig afgewerkte vlakken 40
  • 21. Case 3: Uitlijning op de machine • MacroNanochuck • Verbeterd ontwerp, materialen – Evolutie vd »Macro« chuck en productie – Slijpen en lappen contactvlakken – Ontwerp rekening houdend met klemkrachten – Herpositionering ± 0.5 µm – Indexing van 90° 41 Case 3: Uitlijning op de machine • Herpositioneren - translatie Aluminum top plate Invar base plate. Nano chuck pallet Capacitive sensor in an invar container. 1 3 Pitch axis A 2 Nano chuck base Pitch axis B Gauge block as target 110,2 mm for capacitive sensor. 42
  • 22. Case 3: Uitlijning op de machine • Herpositioneren - translatie Mode 1 (re-positioning) Mode 2 (90º indexing) /µm /µm Index position Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Average Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Average 1s 0,028 0,030 0,023 0,008 0,030 0,059 0,048 0,025 1 P-V 0,10 0,13 0,07 0,03 0,09 0,17 0,12 0,07 1s 0,034 0,044 0,031 0,017 0,019 0,071 0,074 0,047 2 P-V 0,12 0,17 0,11 0,06 0,07 0,21 0,18 0,13 1s 0,027 0,019 0,032 0,009 0,034 0,048 0,051 0,025 3 P-V 0,08 0,07 0,12 0,04 0,11 0,15 0,15 0,09 1s 0,021 0,021 0,034 0,014 0,018 0,045 0,059 0,032 4 P-V 0,08 0,08 0,13 0,05 0,06 0,16 0,20 0,10 43 Case 3: Uitlijning op de machine • Herpositioneren – rotatie 90 graden Index axis Autocollimator A Autocollimator B Pitch axis B Pitch axis A True square (90º polygon) 44
  • 23. Case 3: Uitlijning op de machine • Herpositioneren – rotatie 90 graden Index Rotation clockwise Rotation counter clockwise angle between Deviation Repeatability (1s) P-V Deviation Repeatability (1s) P-V position /arcsec /arcsec /arcsec /arcsec /arcsec /arcsec 1-2 0.59 0.33 1.07 0.76 0.18 0.65 2-3 -0.24 0.31 1.06 -0.50 0.27 0.89 3-4 -0.16 0.29 0.90 -0.11 0.24 0.74 4-1 -0.20 0.31 0.86 -0.16 0.17 0.57 45 Case 3: Uitlijning op de machine • Flip chuck 46
  • 24. Case 3: Uitlijning op de machine • Flip chuck 1 2 3 4 47 Case 3: Uitlijning • Grijpen op optisch oppervlak – UV lijm • Grijpen op vrije-vorm opp. – adaptiviteit • Omkeren werkstuk mogelijk • Industriële (System3R) interface 48
  • 25. Case 3: Uitlijning 49 Case 3: Uitlijning • Flip chuck karakteristieken – Stijfheid ~ 50 N/um – Demping – Oppervlaktekwaliteit (ok reiniging voor coating) – Nauwkeurigheid door krimp ~ 0.5 um 50
  • 26. Case 3: Uitlijning op de machine • Freesparameters (Kern MMP) – Tool: two-teeth milling tool, Ø 2mm, 30,000 rpm – Depth of cut 40 µm – Feed rate 400 mm/min 51 Algemeen besluit • Precisiebewerken, meer dan een proces alleen • Het “geheim” van precisie zit evengoed in de machine als in het proces of in het materiaal • Concurrent, holistisch, “Totaal” ontwerp van – Proces – Machine – Opspangereedschap – Metrologie – Materiaal • Precisie vraagt vakmanschap en multidisciplinariteit 52