Zusammenfassung
Die stetig voranschreitende Entwicklung im Bereich der Fertigung optischer und elektronischer Elemente auf Basis von Nanotechnologien führt seit Jahren zu einer steigenden Nachfrage nach hochpräzisen Nanomess- und Nanofabrikationsmaschinen (The International Roadmap For Devices And Systems, IEEE, 2020; C. Grant Willson and B. J. Roman, “The future of lithography: SEMATECH litho forum 2008,” ASC Nano, vol. 2, no. 7, pp. 1323–1328, 2008). Als technologisch besonders anspruchsvoll hat sich dabei die Fabrikation auf stark geneigten, gekrümmten, asphärischen und freigeformten Oberflächen herausgestellt (R. Schachtschneider, et al., “Interlaboratory comparison measurements of aspheres,” Meas. Sci. Technol., vol. 29, no. 13pp, p. 055010, 2018). Aufbauend auf den zukunftsweisenden Entwicklungen der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 1 (NMM-1) (G. Jäger, E. Manske, T. Hausotte, and J.-J. Büchner, “Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung,” tm – Tech. Mess., vol. 67, nos. 7–8, pp. 319–323, 2000) und der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) (E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, and F. Balzer, “Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 – sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas,” in Euspen’s 17th International Conference, 2017), wird an der Technischen Universität Ilmenau seit mehreren Jahren an Konzepten für NPMM mit erhöhtem Freiheitsgrad geforscht (F. Fern, “Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020; R. Schienbein, “Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020). So besitzt der seit 2020 entwickelte Demonstrator NMM-5D (J. Leinweber, C. Meyer, R. Füßl, R. Theska, and E. Manske, “Ein neuartiges Konzept für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen,” tm – Tech. Mess., vol. 37, nos. 1–10, 2022) neben dem kartesischen Verfahrbereich von 25 mm × 25 mm × 5 mm zusätzlich ein Rotationsvermögen des Tools von 360° sowie ein Neigungsvermögen von 50°. Im folgenden Artikel wird davon ausgehend die mechanische und metrologische Charakterisierung der parallelkinematisch aktuierten Rotationserweiterung präsentiert. Hierbei konzentrieren sich durchgeführte Untersuchungen primär auf die kinematisch verursachten Abweichungen des Tool Center Point (TCP) sowie die Detektierung dieser Abweichungen mit einem interferometrischen In-situ-Referenzmesssystem. Darüber kann perspektivisch eine geregelte Kompensation der auftretenden TCP-Abweichungen erfolgen.
Abstract
The constantly advancing development in the field of manufacturing optical and electronic elements based on nanotechnologies, has for years led to an increasing demand for high-precision nano-measuring and nano-fabrication machines. Fabrication on strongly inclined, curved, aspherical and free-formed surfaces has proven to be particularly challenging from a technological point of view. Therupon the pioneering developments of the nano-positioning and nano-measuring machine 1 (NMM-1) (G. Jäger, E. Manske, T. Hausotte, and J.-J. Büchner, “Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung,” tm – Tech. Mess., vol. 67, nos. 7–8, pp. 319–323, 2000) and the nano-positioning and nano-measuring machine 200 (NPMM-200) (E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, and F. Balzer, “Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 – sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas,” in Euspen’s 17th International Conference, 2017), research on concepts for NPMM with increased degree of freedom has been carried out at the Technische Universität Ilmenau for several years (F. Fern, “Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020; R. Schienbein, “Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020). The demonstrator NMM-5D, has been continuously worked on since 2020 (J. Leinweber, C. Meyer, R. Füßl, R. Theska, and E. Manske, “Ein neuartiges Konzeot für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen,” tm – Tech. Mess., vol. 37, nos. 1–10, 2022). In addition to the Cartesian freedoms, it has a tool rotation capability of 360° and a tilting capability of 50°. On this basis, the following article will describe the mechanical and metrological characterization of the parallel kinematically actuated rotational extension. The investigations carried out here focus primarily on the kinematically caused deviations of the tool center point (TCP) and the detection of these deviations with an interferometric In-situ reference measurement system. In the future, this can be used for controlled compensation of the TCP deviations that occur.
Über die Autoren
Johannes Leineweber erlangte 2015 den B. Sc. Fahrzeugtechnik und 2019 den M. Sc. Maschinenbau an der Technischen Universität Ilmenau. Seit 2020 ist er Mitglied des DFG Graduiertenkollegs „Nano-Fab“ (2182) (Spitzen- und laserbasierte 3D Nanofabrikation in ausgedehnten, makroskopischen Arbeitsbereichen). Sein Forschungsfeld besteht in der Entwicklung einer Nanomess-, Nanopositionier und Nanofabrikationsmaschine mit erhöhtem Freiheitsgrad.
Roman Hebenstreit erlangte 2017 den B. Sc. Maschinenbau und 2019 den M. Sc. Maschinenbau an der TU Ilmenau. Seit 2019 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Feinwerktechnik und seit 2020 Mitglied des DFG Graduiertenkollegs „NanoFab“ (2182) (Spitzen- und laserbasierte 3D Nanofabrikation in ausgedehnten, makroskopischen Arbeitsbereichen). Er forscht an der Entwicklung von neuartigen Positioniersystemen mit Subnanometergenauigkeit auf Basis von elektrisch-mechanischen Mikrosystemen.
Roland Füßl erhielt 1981 das Diplom im Fachgebiet Technische Kybernetik und Automatisierungstechnik an der Technischen Hochschule Ilmenau. Er promovierte 1986 und habilitierte 2008 auf dem Gebiet der Prozessmesstechnik. Von 2008 bis 2014 arbeitete er als Privatdozent an der Technischen Universität Ilmenau. Im Jahr 2014 erfolgte die Ernennung zum außerplanmäßigen Professor an der Technischen Universität Ilmenau. Von 2003 bis 2013 war er Teilprojektleiter im Sonderforschungsbereich „Nanopositionier- und Nanomessmaschinen“ und seit 2017 ist er Projektleiter im Graduiertenkolleg „Spitzen- und laserbasierte 3D-Nanofabrikation in erweiterten makroskopischen Arbeitsbereichen“. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf dem Gebiet der Metrologie in den Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationstechnologien.
Eberhard Manske erhielt 1982 das Diplom in Elektrotechnik an der Technischen Hochschule Ilmenau. Er promovierte 1986 und habilitierte 2006 auf dem Gebiet der Präzisionsmesstechnik. Seit 2008 hat er eine Professur „Fertigungs- und Präzisionsmesstechnik“ an der Technischen Universität Ilmenau inne. Von 2008 bis 2013 war er Sprecher des Sonderforschungsbereichs „Nanopositionier- und Nanomessmaschinen“ (SFB 622) und leitete von 2017 bis 2021 das Graduiertenkolleg „Spitzen- und laserbasierte 3D-Nanofabrikation in erweiterten makroskopischen Arbeitsbereichen“, beides gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft. Mit den Schwerpunkten hochpräzise Laserinterferometrie, Laserstabilisierung, Frequenzkammtechnik, optische und taktile Nanosensoren sowie Rastersondenverfahren.
René Theska erhielt 1983 das Diplom in Feinwerktechnik an der Technischen Hochschule Ilmenau und promovierte dort 1989. Von 1990 bis 2001 arbeitete er in der Industrie als Konstruktions- und als Entwicklungsleiter für Hexagon Metrology in Wetzlar. Im Jahr 2001 wurde er zum Professor für Feinwerktechnik an der TU Ilmenau ernannt. Seit 2017 ist er Projektleiter im Graduiertenkolleg „Spitzen- und laserbasierte 3D-Nanofabrikation in erweiterten makroskopischen Arbeitsbereichen“. Seine Forschungsschwerpunkte sind Ultrapräzisionsgeräte zur Messung von Länge, Kraft und Drehmoment.
Danksagung
Die Autoren danken der deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die vorgestellten Arbeiten wurden von der DFG im Rahmen des Graduiertenkollegs „Spitzen- und laserbasierte 3D Nanofabrikation in ausgedehnten, makroskopischen Arbeitsbereichen“(GRK 2182) an der Technischen Universität Ilmenau gefördert.
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Research ethics: See the DFG “Guidelines for Safeguarding Good Research Practice” (04/2022 version 1.1)
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Author contributions: The authors have accepted responsibility for the entire content of this manuscript and approved its submission.
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Competing interests: The authors state no competing interests.
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Research funding: Funding by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (GRK 2182)
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Data availability: The raw data can be obtained on request from the corresponding author.
Literatur
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