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IMTEKLehrstuhl Konstruktion von Mikrosystemen

Technische Mechanik WS 2010/11 - Vorlesung Lagerungsarten / Folie 1

Freiheitsgrade und Lagerungsarten

Gelenke in der Mikrotechnik

Problem: In der Mikrotechnik sind echte Gelenklager und Schiebelager technisch zwar machbar, aber ...

• die Herstellung ist kompliziert,

• die Lebensdauer ist u.U. begrenzt,

• die Belastbarkeit ist eingeschränkt.

Lösungsstrategien für bewegliche Mikrostrukturen

• „Festkörpergelenke“, d.h. integrierte Federstrukturen zur Nachahmung einer kinematischen Gelenkfunktion,

• „Compliant structures“, d.h. monolithische Mikrostrukturen mit gezieltem Verformungsverhalten der gesamten Struktur.




Vor- und Nachteile von Festkörpergelenken und Compliant Structures

Nachteile (im Vergleich zu einem idealen Gelenk)

• Es wird immer auch ein Moment bzw. eine Rückstellkraft übertragen.

• Es treten zusätzliche Störeffekte auf (z.B. Eigenresonanzen).

• Die erzielbaren Verformungen bzw. Bewegungen sind in der Regel gering.

• Materialermüdung begrenzt die Lebensdauer und verändert die Eigenschaften.

Aus manchen Nachteilen werden aber in der Mikrotechnik...

Vorteile

• Es tritt keine Gelenkreibung und kein Verhaken (stiction) auf.

• Es tritt kein Lagerspiel auf, d.h. die Positioniergenauigkeit ist extrem hoch (nm-Bereich).

• Per Design ist hohe Festigkeit und Belastbarkeit erreichbar.

• Rückstellkräfte und -momente sind oft explizit gewünscht und auch per Design genau einstellbar.

• Die Fertigung ist relativ einfach.




Designprinzipien für kinematische Lagerungen in der Mikrotechnik

Designziel: „Lasse bestimmte Freiheitsgrade definiert zu und verhindere alle anderen möglichst gut !“

Designparameter hierfür sind...

• Anordnung,

• Geometrie ,

• Materialeigenschaften.

Konstruktionsprinzipien

• Prinzip der Symmetrie (symmetrische Anordnung von Federn zur Erhöhung der Kippsteifigkeit,...)

• Prinzip der abgestimmten Verformung (Compliant structures, Federgeometrie,...)

• Prinzip der Arbeitsteilung (Materialwahl, Materialmix,...)

• Prinzip der direkten Kraftleitung (geeignete Anordnung von Kraftlinien und Funktionselementen,...)

• Prinzip des Kraftausgleiches (intrinsische Kompensation gegenläufiger Kräfte,...)




Rotatorische Mikro-Gleitlager

Prinzip: entspricht einem konventionellen Gleitlager mit Rotor und Stator

Technologien: Oberflächen-Mikromechanik,LIGA

Vorteile

• echte Rotationsbewegung möglich,

• reibungsarm per Design und Oberflächenbeschichtung,

• kann monolithisch erzeugt werden.

Nachteile

• sehr komplexe Herstellungsverfahren,

• kurze Lebensdauer bei zu hohem Lagerspiel und ungünstigen Materialien (Versagen durch Abrieb und mechanisches Schlagen).

Sandia NL, Albuquerquee, New Mexico




Translatorische Mikro-Gleitlager

Prinzip: entspricht einem konventionellen Linear-Gleitlager

Technologien: Oberflächen-Mikromechanik

Vorteile

• „weite“ Linearbewegung möglich,

• kann monolithisch erzeugt werden.

Nachteile

• sehr komplexe Herstellungsverfahren,

• u.U. Verkanten und Verhaken durch zu hohes Lagerspiel bzw. zu hohe Reibung.





Mikro-Gelenklager

Prinzip: entspricht in etwa einem konventionellen Gelenk („Scharnier“)

Technologien: Oberflächen-Mikromechanik

Vorteile

• ermöglicht einen weiten Drehwinkel

• nimmt nur ein geringes Moment auf

Nachteile

• komplexe Technologie,

• Lagerspiel,

• möglicherweise „Klemmen“





Festkörpergelenk („hinge“)

Prinzip: Biegebalken ermöglicht definierte lokale Verformung (analog zu einem Filmscharnier)

Technologien: viele

Vorteile

• einfach „per Design“ integrierbar,

• hochreproduzierbare Bewegung,

• lange Lebensdauer.

Nachteile

• in der Regel nur geringe Verformungen möglich

• u.U. zusätzlicher Platzbedarf Mikrogreifer (TU Illmenau)




Torsions-Drehgelenk („torsion hinge“)

Prinzip: Torsionsbalken ermöglicht definierte lokale

Verformung

Technologien: viele

Vorteile




Nachteile

• Zusätzliche Biegeverformungen sind nicht auszuschließen.

• In der Regel sind nur geringe Verformungen möglich.

Digital Mirror Device, Texas Instruments




Drehlagerungen

Funktionsprinzip: Mehrere gleichverteilte Biegebalken greifen am Umfang oder im Zentrum eines Rotationskörpers an

Technologien: viele

Vorteile




Nachteile

• in der Regel nur geringe Drehwinkel möglich

• u.U. zusätzlicher Platzbedarf.

Gyroskope Bosch (oben) Berkeley (unten)




Designprinzip der Drehlagerung

• Die Längsachsen der Balkenfedern verlaufen immer durch den Schwerpunkt des Drehkörpers (Dadurch schneiden sich die Wirkungslinien der retardierenden Längskräfte wiederum in einem Punkt).

Ergebnis ist eine kontrollierte Rotation ohne seitliche Translation.

Gyroskop (Berkeley)

x

y

F 3

F i

a i

F 2F 1

x

y

B

Balkenfeder




Linearlagerungen

Funktionsprinzip: Mehrere parallele Biegebalken greifen senk-recht zur gewünschten Bewegungsrichtung am verschiebbaren Körper an.

Technologien: LIGA, Oberflächen- und Bulk-Mikromechanik

Vorteile



• große Verformungen möglich,


Nachteile

• zusätzlicher Platzbedarf

variabler Mikroschlitz mit motori- schem Antrieb (Agilent, vormals HP)

Mikro-Gasventil mit elektrostatischem Antrieb (IMS München und Hoerbiger Origa, Schongau)




Designprinzipien der Linearlagerung

• Die Längsachsen der Balkenfedern verlaufen senkrecht zur Bewegungsrichtung.

• Die Federn greifen symmetrisch und möglichst weit außen am Schiebeelement an (Kippsicherung).

• Gegebenenfalls werden die Federn mechanisch gekoppelt (gleichfalls zur Kippsicherung).

Das Ergebnis ist...

...eine definierte Linearbewegung mit minimalem seitlichem Ausbrechen.

Federachse

Bewegungsrichtung

Federkopplung




Compliant Structures

Im Unterschied zu Komponenten mit integrierten Gelenken wird bei einer Compliant Structure das Verformungsverhalten des gesamten Mikroelementes genutzt. Das Design muß natürlich entspre-chend ausgelegt werden.

Beispiel: Mikrogreifer mit Shape-Memory-Aktuation

geschlossenoffen

fixierteBereiche

Ö ffnungs-aktor

Schließ-aktor




Präzisions-Linearlager mit Festkörpergelenken

Nicht nur in der Mikrotechnik, auch in der Feinmechanik wird die hohe Präzision von Festkörpergelenken genutzt.

Beispiel: Nanopositioniertische mit piezoelektrischem Antrieb (Physik Instrumente, Waldbronn)

Die typische Positioniergenauigkeit beträgt beim gezeigten Tisch einige Nanometer ! 2D-FestkörpergelenkPiezoaktor

Herstellung mittels DrahterosionNano 780 (PI)

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