Berührungslose Handhabung für hohe Temperaturen

Kontaktlos in der Hitze

Ein Forschungsprojekt am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) an der Technischen Universität München befasst sich mit technologischen Grundlagen für den Einsatz ultraschallbasierter berührungsloser Handhabungssysteme in Hochtemperatur-Anwendungen.

Globale Trends wie Ressourcenverknappung und Miniaturisierung führen zu immer kleineren Produkten. Parallel dazu steigt der Preis- und Qualitätsdruck auf die Hersteller. Dies betrifft auch Produkte wie Halbleiterwafer, Wafer für Solarzellen und Glasscheiben für berührungsempfindliche Bildschirme – also dünne, fragile und oberflächenempfindliche Bauteile, die kosteneffizient zu fördern und zu handhaben sind. Außerdem geht deren Produktion mit einem hohen Anteil an thermischen Prozessen einher. Anders bei berührungslosen Handhabungswerkzeugen: Hier geschieht das Handling empfindlicher und fragiler Bauteile schonend. Bei der ultraschallbasierten Handhabung wird zur Erzeugung der tragenden Kraft das im Prozessraum vorliegende Medium genutzt, folglich sind in diesem System keine Temperaturgradienten vorhanden – das Bauteil wird gleichmäßig erwärmt. Außerdem entfällt die Bereitstellung und Aufbereitung von Prozessluft – das steigert die Produktqualität und senkt die Produktionskosten. Nur die Positionierung der Bauteile muss minimaltaktil vonstattengehen, da die fluidischen Kräfte hierfür nicht ausreichend gesteuert werden können. Trotz der genannten Vorteile dieser Handhabungssysteme für thermische Prozesse können die Werkzeuge bisher nur bei Raumtemperatur eingesetzt werden.

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Durchgängig berührungsloser Materialfluss

Die Erweiterung dieser Technologie auf Arbeitstemperaturen bis 1.100 Grad Celsius wird einen durchgängig berührungslosen Materialfluss von empfindlichen Bauteilen in der Produktion ermöglichen. Für diese geänderten Umgebungsbedingungen sind alternative Materialien nötig, und deren temperaturabhängige Schwingungsverhalten sind zu untersuchen. Auch die Eigenschaften der Luft verändern sich über der Temperatur, was zu veränderten strömungsmechanischen Vorgängen im Spalt zwischen der tragenden Platte und dem Bauteil führt. Somit ist auch eine Veränderung der Tragkraft des Werkzeuges mit der Temperatur zu erwarten.

Die Handhabung bei der Produktion in Hochtemperatur-Umgebungen erfolgt bisher ausschließlich taktil. Das hat allerdings funktionsbedingte Nachteile, denn es sind stets Bauteil-Bereiche für die Handhabung vorgesehen – sie entfallen dann für die eigentliche Funktion. So werden bestimmte Flächen der Wafer für Halbleiter nicht für das Aufbringen von Halbleiterstrukturen genutzt, sondern dienen lediglich als Angriffspunkt für Werkzeuge. Wafer für Solarzellen werden in einem Durchlaufofen auf einer Kette befördert. Aufgrund des mechanischen Kontaktes können keine Strukturen auf der aufliegenden Seite aufgebracht werden. Der direkte Kontakt zwischen Bauteil und Handhabungswerkzeug führt zu thermischen Spannungen und Verformungen. Auf der Auflagefläche kommt es durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung zu Beschädigung des Bauteils. Bei Halbleiter-Wafern werden auf diesen Flächen Versetzungen erzeugt.

Bauteile ohne Kontakt im Spalt

Bei der ultraschallbasierten berührungslosen Handhabung ist mit minimaltaktilen Anschlägen auch eine Positionierung der Bauteile möglich. Die Technik basiert auf der Squeeze-Film-Levitation, die 1975 nachgewiesen und später für den produktionstechnischen Einsatz untersucht wurde. Diese Technologie wird seither am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München wissenschaftlich untersucht und weiterentwickelt. Der eingesetzte Piezo-Aktor, der vorwiegend beim Ultraschallschweißen als Schallerzeuger eingesetzt wird, erzeugt eine Longitudinalschwingung oberhalb 16 Kilohertz, die über die Stabsonotrode in der Amplitude verstärkt und an die Plattensonotrode geleitet wird. Schließlich führt die Plattensonotrode eine gleichmäßige Schwingung bei der Arbeitsfrequenz aus. Wenn auf diese Platte ein flaches Bauteil gelegt wird, entsteht zwischen der schwingenden Platte und dem Bauteil ein adiabat-reversibler beziehungsweise isentroper Strömungszustand. Dabei wirkt auf das Bauteil eine abstoßende Kraft aufgrund eines quasi-statischen Überdruckes zwischen Bauteil und Plattensonotrode. Somit wird das Bauteil in einem Abstand von etwa 100 bis 200 Mikrometer in der Schwebe gehalten. Mit dieser Technologie lassen sich glatte und luftundurchlässige Bauteile handhaben. Bisher ist sie auf Raumtemperatur beschränkt - aus mehreren Gründen: Das Werkzeug wird typischerweise aus einer Aluminium-Legierung hergestellt, die für hohe Temperaturen nicht geeignet ist. Auch nimmt die Steifigkeit dieses Metalls mit der Temperatur signifikant ab, woraus starke Änderungen der Schwingungseigenschaften über der Temperatur folgen. Außerdem ist die Betriebstemperatur des antreibenden Ultraschallerzeugers auf etwa 80 Grad Celsius beschränkt. Daher erfordert der Einsatz des Systems in Hochtemperatur-Umgebungen die Entwicklung von Maßnahmen zur thermischen Dämmung. Schließlich sind die strömungsmechanischen Vorgänge im Spalt in Abhängigkeit von der Temperatur unbekannt.

Quarzglas für hohe Temperaturen

Daher wird die Herstellung von Strukturelementen des Werkzeuges in erhöhter thermischer Belastung aus Quarzglas untersucht. Es ist bis 1.100 Grad Celsius mechanisch stabil. Die geringe Änderung der Werkstoffeigenschaften über der Temperatur wird zu einer einfachen Regelung des Systems über verschiedene Temperaturstufen führen. Schließlich ist Quarzglas reinraumgeeignet, was einer der Hauptgründe für seinen Einsatz als Ausgangswerkstoff für Handhabungswerkzeuge im Halbleiter-Bereich ist. Quarzglas besitzt einige zu Metallen unterschiedliche Eigenschaften: Seine Schmelztemperatur ist höher als bei vielen Metallen, und die Änderung des E-Moduls mit der Temperatur ist verhältnismäßig gering im Vergleich zu Metallen. Schließlich nimmt der E-Modul von Quarzglas mit der Temperatur zu - bei Metallen nimmt er mit der Temperatur ab. Für Anwendungen bei Raumtemperatur werden die Komponenten des Handhabungswerkzeuges bisher aus Metall hergestellt und Einzelteile mit Schrauben verbunden. Das ist bei Quarzglas nicht möglich, deshalb sind hier alternative Fügeverbindungen nötig.

Da sowohl die Platten- als auch die Stabsonotrode aus Quarzglas hergestellt werden und die Fügeverbindung hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, wird sie geschweißt. Aus praktischen Gründen muss die Fügeverbindung zwischen Stabsonotrode und Aktor lösbar sein – hier wird ein Adapter aus Aluminium eingesetzt, der mit der Stabsonotrode verklebt und mit dem Aktor verschraubt wird. Die Strömungsmechanik zwischen Bauteil und Handhabungswerkzeug ist entscheidend für die Funktion des Werkzeuges. Das Bauteil wird durch den erzeugten Überdruck in der Schwebe gehalten.

In den Anfängen der Entwicklungen von ultraschallbasierten Handhabungswerkzeugen wurde die Strömung als eine Reynolds-Strömung betrachtet, nun erfolgt aber eine Vereinfachung der Kontinuitätsgleichung sowie der Navier-Stokes-Gleichungen. Außerdem wird der Einfluss der Temperatur auf die Traglast des Systems untersucht. Da alle erwähnten thermischen Prozesse eine konstante Temperatur im Prozessraum voraussetzen, wird die Temperatur im Spalt für einen Arbeitspunkt als konstant angenommen; somit wird im ersten Schritt die Energiegleichung und die enthaltene Wärmeleitfähigkeit nicht berücksichtigt. Als temperaturabhängige Stoffgrößen werden die Dichte und die dynamische Viskosität der Luft beziehungsweise des Fluids im Spalt identifiziert. Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart/ Dipl.-Ing. E. Locmelis/pb

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