Precisiebewerken,
meer dan een
proces alleen
Prof. Dr. Ir. D. Reynaerts, K.U.Leuven
dominiek.reynaerts@mech.kuleuven.be
Mi...
• Bewerkingsnauwkeurigheid
• Elementtechnologie
• Bewerkingseenheid
• Kopieerprincipe
• Evolutieprincipe
• Anisotropieprin...
Bewerkingsprincipes
• Bewerkingsnauwkeurigheid
• Elementtechnologie
• Bewerkingseenheid
• Kopieerprincipe
• Evolutieprinci...
• Traditioneel ontwerp: grote Abbe offset
Case 1: Ultra-precies slijpen
7
Z
Y
X
Niet-ideale Z-geleiding
Abbe
Δ
θ⋅Δ= AbbeAb...
• Meetconcept
Case 1: Ultra-precies slijpen
9
F25 / Nano-CMM (Tue)
Bewegende lineaire encoders
Laserinterferometrie ISARA ...
Case 1: Ultra-precies slijpen
11
Case 1: Ultra-precies slijpen
12
Case 1: Ultra-precies slijpen
13
• Referentiemeetframe (RMF)
• Hitteschild: compensatie voor beperkte warmtegeleiding
RMF
...
Case 1: Ultra-precies slijpen
15
• Meetlus tijdens slijpen
• Meetlus tijdens nameten
• Totaalconcept
Case 1: Ultra-precies...
• Ontwerpvoorbeelden: Meetframes
– Vereisten: Stabiel gedurende lange tijd (0.1 um gedurende 4
uur)
– Thermisch stabiel
– ...
• Gereedschapsmeetframe
– Materiaalselectie: Invar (Invar= 1.8 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K )
– Massieve doorsnede -> maxima...
• Werkstukmeetframe
– Materiaalselectie: Zerodur (Zerodur= 0,1 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K )
– Monolytische opbouw voor max...
Case 1: Ultra-precies slijpen
Prestaties geregeld systeem
• Haarbare bandbreedte:
• Collocated actuator/sensor-paar:
• Non...
• Prestaties geregeld systeem
– Resulterende stijfheid
Case 1: Ultra-precies slijpen
25
FGFWT
FC FC
HFWT ,ZWT - Zframe
HFC...
Case 1: Ultra-precies slijpen
Gereedschapsspil
Hydrostatisch lager Recirculatiekanalen olie
Invar as
27
Case 1: Ultra-prec...
Case 1: Ultra-precies slijpen
Juk, lagering en ondersteuning
29
Case 1: Ultra-precies slijpen
Werkstukmeetframe
30
Case 1: Ultra-precies slijpen
Referentiemeetframe
31
Case 1: Ultra-precies slijpen
Machineframe
32
• Unieke machineconcept gekenmerkt door:
– Eindpuntmeting van werkstuk en gereedschap
– Gebruik van meetframes
– On-machin...
Case 2: Ultra-precies meten
• Metingen zijn een groot probleem op micro/precisieschaal
• Rechtstreekse invloed op de bewer...
Case 2: Ultra-precies meten
• Meetprincipe voor hoge
nauwkeurigheid
– Microprobe vaste positie in
ruimte
– Interferometers...
Case 2: Ultra-precies meten
• Ontwerp metrologische AFM
39
• Invar metrologieframe
• Symmetrisch ontwerp
• Gescheiden krac...
Case 3: Uitlijning op de machine
• MacroNanochuck
– Evolutie vd »Macro« chuck
• Verbeterd ontwerp, materialen
en productie...
Case 3: Uitlijning op de machine
• Herpositioneren - translatie
0,100,200,160,060,050,130,080,08
P-V
0,0320,0590,0450,0180...
Case 3: Uitlijning op de machine
• Herpositioneren – rotatie 90 graden
0.570.17-0.160.860.31-0.204 - 1
0.740.24-0.110.900....
Case 3: Uitlijning op de machine
• Flip chuck
1 2 3 4
47
Case 3: Uitlijning
• Grijpen op optisch oppervlak
– UV lijm
• Gri...
Case 3: Uitlijning
49
Case 3: Uitlijning
• Flip chuck karakteristieken
– Stijfheid ~ 50 N/um
– Demping
– Oppervlaktekwalit...
Case 3: Uitlijning op de machine
• Freesparameters (Kern MMP)
– Tool: two-teeth milling tool,
Ø 2mm, 30,000 rpm
– Depth of...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

09.50 Dhr Reynaerts

750 views

Published on

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
750
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

09.50 Dhr Reynaerts

  1. 1. Precisiebewerken, meer dan een proces alleen Prof. Dr. Ir. D. Reynaerts, K.U.Leuven dominiek.reynaerts@mech.kuleuven.be Micro- en precisiebewerkingen Leuven, 10 Oktober 2010 • 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 Inhoud 2
  2. 2. • Bewerkingsnauwkeurigheid • Elementtechnologie • Bewerkingseenheid • Kopieerprincipe • Evolutieprincipe • Anisotropieprincipe • Principe van Abbe • Werkstukmateriaal • Distortieloos opspannen • Bewerken in meerdere stappen • In-situ bewerken Bewerkingsprincipes 1 3 (1) H. Nakazawa, Principles of precision engineering • Bewerkingsnauwkeurigheid • Elementtechnologie • Bewerkingseenheid • Kopieerprincipe • Evolutieprincipe • Anisotropieprincipe • Principe van Abbe • Werkstukmateriaal • Distortieloos opspannen • Bewerken in meerdere stappen • In-situ bewerken Bewerkingsprincipes 4 Case 1: ultra-precies slijpen
  3. 3. Bewerkingsprincipes • Bewerkingsnauwkeurigheid • Elementtechnologie • Bewerkingseenheid • Kopieerprincipe • Evolutieprincipe • Anisotropieprincipe • Principe van Abbe • Werkstukmateriaal • Distortieloos opspannen • Bewerken in meerdere stappen • In-situ bewerken 5 Case 2: ultra-precies meten Case 3: uitlijning op de machine • Proces: – ELID-slijpen: ELectrolitic In process Dressing – Voordelen: • Stabiele slijpcondities • Condities voor ductiele materiaalafname behouden • Minimale oppervlaktebeschadiging • Minimale polijstbewerking vereist Case 1: Ultra-precies slijpen 6 Koelvloeistof Toevoer elektrolytWerkstuk “Metal bond” slijpwiel Elektrode Oxide laag Dunne oxide laagBotte korrel Scherpe korrel
  4. 4. • Traditioneel ontwerp: grote Abbe offset Case 1: Ultra-precies slijpen 7 Z Y X Niet-ideale Z-geleiding Abbe Δ θ⋅Δ= AbbeAbbee θ • Conventionele configuratie – Positiemeting op onderliggende slede • Onopgemerkte thermische vervormingen • Onopgemerkte vervormingen t.g.v. bewerkingskrachten • Onopgemerkte geleidingsfouten in tussenliggende sledes Case 1: Ultra-precies slijpen 8 Fouten door externe krachten Z Y X Fouten door thermische uitzetting
  5. 5. • Meetconcept Case 1: Ultra-precies slijpen 9 F25 / Nano-CMM (Tue) Bewegende lineaire encoders Laserinterferometrie ISARA (TU Delft/IBS) Bewegende lineaire encoder • Meetconcept Case 1: Ultra-precies slijpen 10A Z X Y C Juk Werkstukspil Gereedschapsspil
  6. 6. Case 1: Ultra-precies slijpen 11 Case 1: Ultra-precies slijpen 12
  7. 7. Case 1: Ultra-precies slijpen 13 • Referentiemeetframe (RMF) • Hitteschild: compensatie voor beperkte warmtegeleiding RMF Case 1: Ultra-precies slijpen 14 Aluminium plaat Aluminium plaat Aluminium buis: “thermische kortsluiting” Invar meetframe
  8. 8. Case 1: Ultra-precies slijpen 15 • Meetlus tijdens slijpen • Meetlus tijdens nameten • Totaalconcept Case 1: Ultra-precies slijpen 16
  9. 9. • 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 Case 1: Ultra-precies slijpen 17 • 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 Case 1: Ultra-precies slijpen 18 Hoge stijfheid / massa Lage stijfheid / massa
  10. 10. • 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 Case 1: Ultra-precies slijpen 19 19 • Gereedschapsmeetframe – Berekeningsvoorbeeld: “Eindige elementen berekening” Case 1: Ultra-precies slijpen 20 1,1 μm (1°C) Effect uitzetting gereedschapsspil Resulterende meetfout < 0.01 μm Laagste eigenfrequentie ≈ 160 Hz Resulterende fout t.g.v. versnellingen < 0.005 μm 2020
  11. 11. • 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 Case 1: Ultra-precies slijpen 21 21 • Referentiemeetframe: – Materiaalselectie: Invar (Invar= 1.8 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K ) – Holle constructie -> hoge eigenfrequentie Case 1: Ultra-precies slijpen 22
  12. 12. Case 1: Ultra-precies slijpen Prestaties geregeld systeem • Haarbare bandbreedte: • Collocated actuator/sensor-paar: • Non-collocated actuator/sensor-paar: rb ff ≤ )10...5/(rb ff < Actuator m1 Last m2 Fact Xact Xlast X Regelaar Xgew + - Fact 23 • Prestaties geregeld systeem – Vereenvoudigd 1D model Case 1: Ultra-precies slijpen Model omloopspil Machineframe Slijpproces Positieregelaar Snelheidsregelaar Zdes - + + - Mact Gereed- schaps- spil Juk Gereed- schap en as Werkstuk- tafel en -as Werk- stuk 24
  13. 13. • Prestaties geregeld systeem – Resulterende stijfheid Case 1: Ultra-precies slijpen 25 FGFWT FC FC HFWT ,ZWT - Zframe HFC ,ZWT - ZG HFG ,ZG - Zframe • 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 Case 1: Ultra-precies slijpen 26
  14. 14. Case 1: Ultra-precies slijpen Gereedschapsspil Hydrostatisch lager Recirculatiekanalen olie Invar as 27 Case 1: Ultra-precies slijpen Gereedschapsmeetframe Bladveer NiP-gecoate referentiering 28
  15. 15. Case 1: Ultra-precies slijpen Juk, lagering en ondersteuning 29 Case 1: Ultra-precies slijpen Werkstukmeetframe 30
  16. 16. Case 1: Ultra-precies slijpen Referentiemeetframe 31 Case 1: Ultra-precies slijpen Machineframe 32
  17. 17. • 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) Case 1: Ultra-precies slijpen 33 Bewerkingsprincipes • Bewerkingsnauwkeurigheid • Elementtechnologie • Bewerkingseenheid • Kopieerprincipe • Evolutieprincipe • Anisotropieprincipe • Principe van Abbe • Werkstukmateriaal • Distortieloos opspannen • Bewerken in meerdere stappen • In-situ bewerken 34 Case 2: ultra-precies meten Case 3: uitlijning op de machine
  18. 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 36 Materiaalkunde – Distributie nanodeeltjes – Dimensies nanodeeltjes BASF MEMS – ruwheid – dimensies KULeuven Informatietechnologie – Harddisk oppervlakte kwaliteit – Dimensies leeskop Optica – ruwheid –-vorm Electronica – dimensies – EUV-lithografie Image: Veeco Inspectie
  19. 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 38 1 nm nauwkeurigheid 100 μm x 100 μm x 100 μm kalibratie nanogrids rechtreekse metingen Specificaties Ontwerpcriteria:
  20. 20. Case 2: Ultra-precies meten • Ontwerp metrologische AFM 39 • Invar metrologieframe • Symmetrisch ontwerp • Gescheiden kracht- en meetlus Case 3: Uitlijning op de machine • Probleemstelling – Meerdere precisiebewerkingen op 1 stuk • Herpositioneren • Operaties op verschillende machines • Off-machine meten – Grijpprobleem • Omkeren van stukken (=herpositioneren) • Grijpen op nauwkeurig afgewerkte vlakken 40 MacroNanochuck Flip chuck
  21. 21. Case 3: Uitlijning op de machine • MacroNanochuck – Evolutie vd »Macro« chuck • Verbeterd ontwerp, materialen 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 42 Capacitive sensor in an invar container. Invar base plate. Gauge block as target for capacitive sensor. 110,2 mm Pitch axis B Pitch axis A1 2 3 Aluminum top plate Nano chuck base Nano chuck pallet
  22. 22. Case 3: Uitlijning op de machine • Herpositioneren - translatie 0,100,200,160,060,050,130,080,08 P-V 0,0320,0590,0450,0180,0140,0340,0210,021 1s 4 0,090,150,150,110,040,120,070,08 P-V 0,0250,0510,0480,0340,0090,0320,0190,027 1s 3 0,130,180,210,070,060,110,170,12 P-V 0,0470,0740,0710,0190,0170,0310,0440,034 1s 2 0,070,120,170,090,030,070,130,10 P-V 0,0250,0480,0590,0300,0080,0230,0300,028 1s 1 AverageSensor 3Sensor 2Sensor 1AverageSensor 3Sensor 2Sensor 1 Mode 2 (90º indexing) /µm Mode 1 (re-positioning) /µm Index position 0,100,200,160,060,050,130,080,08 P-V 0,0320,0590,0450,0180,0140,0340,0210,021 1s 4 0,090,150,150,110,040,120,070,08 P-V 0,0250,0510,0480,0340,0090,0320,0190,027 1s 3 0,130,180,210,070,060,110,170,12 P-V 0,0470,0740,0710,0190,0170,0310,0440,034 1s 2 0,070,120,170,090,030,070,130,10 P-V 0,0250,0480,0590,0300,0080,0230,0300,028 1s 1 AverageSensor 3Sensor 2Sensor 1AverageSensor 3Sensor 2Sensor 1 Mode 2 (90º indexing) /µm Mode 1 (re-positioning) /µm Index position 43 Case 3: Uitlijning op de machine • Herpositioneren – rotatie 90 graden Pitch axis B Pitch axis A Index axis Autocollimator B Autocollimator A True square (90º polygon) 44
  23. 23. Case 3: Uitlijning op de machine • Herpositioneren – rotatie 90 graden 0.570.17-0.160.860.31-0.204 - 1 0.740.24-0.110.900.29-0.163 - 4 0.890.27-0.501.060.31-0.242 - 3 0.650.180.761.070.330.591 - 2 P-V /arcsec Repeatability (1s) /arcsec Deviation /arcsec P-V /arcsec Repeatability (1s) /arcsec Deviation /arcsec Rotation counter clockwiseRotation clockwiseIndex angle between position 0.570.17-0.160.860.31-0.204 - 1 0.740.24-0.110.900.29-0.163 - 4 0.890.27-0.501.060.31-0.242 - 3 0.650.180.761.070.330.591 - 2 P-V /arcsec Repeatability (1s) /arcsec Deviation /arcsec P-V /arcsec Repeatability (1s) /arcsec Deviation /arcsec Rotation counter clockwiseRotation clockwiseIndex angle between position 45 Case 3: Uitlijning op de machine • Flip chuck 46
  24. 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. 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. 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

×