Passende Isolatoren für industrielle OEM-Anwendungen

Hocheffiziente Schwingungsisolierungen wurden zuerst in Laserforschungslabors benötigt. Seit 1969 hat Newport diesem Bedürfnis mit einer Reihe von Isolatoren zur Unterstützung optischer Tischsysteme in Laboranwendungen Rechnung getragen. Diese Isolatoren wurden auf ein bestmögliches Übertragungsverhalten ausgelegt, d. h. ein bestmögliches Verhältnis von schwingungsisolierten Tisch- zu Bodenvibrationen, über eine größtmögliche Bandbreite.

Grundlagen der Konstruktion pneumatischer Isolatoren

Pneumatische Isolatoren bestehen vor allem aus einer Luftkammer, die mit einem flexiblen Diaphragma abgedichtet ist. Diese Kammer trägt die Nutzlast mittels eines Luftkissens. Die automatische Niveauregulierung basiert auf einem Regelventil zur Steuerung der einströmenden und abgelassenen Luft. Die Aufgabe des Ventils zur Niveauregulierung besteht darin, die Leistungsfähigkeit des Isolators relativ unabhängig von der Belastung aufrechtzuerhalten und die Plattform nach Lastwechseln in ihre Ausgangsposition zurückzubringen. (Nähere Informationen über das Niveauregelventil siehe Luftdrucksysteme & Zubehör für pneumatische Schwingungsdämpfer.)

Grundlagen des Übertragungsverhaltens von Isolatoren

Der Isolator ist Teil des Systems aus Nutzlast, Federung und Dämpfung und wirkt im wesentlichen als mechanischer Filter. Bevor er zu isolieren beginnt, verstärkt er bei der Eigenfrequenz Bodenvibrationen. Diese Eigenfrequenz ist gegeben durch:

wobei „k“ die Systemsteifigkeit und „m“ die Masse beschreiben.
Das bedeutet, für eine bestmögliche Isolierung und maximale Bandbreite sollte die Eigenfrequenz so niedrig wie möglich liegen; normalerweise bei 1–2 Hz.
Liegen die Bodenvibrationen unterhalb der Eigenfrequenz des schwingungsisolierten Systems, so liegt das Übertragungsverhalten bei eins und die Nutzlastbewegung entspricht der des Bodens. Direkt bei der Eigenfrequenz des Systems verstärkt der Isolator dagegen die Bodenvibrationen, abhängig von der Dämpfung, ungefähr um einen Faktor 3–10. Dabei verstärken stark gedämpfte Systeme die Schwingungen weniger als leicht gedämpfte Systeme. Bei dem 1,41-fachen der Eigenfrequenz liegt das Übertragungsverhalten wiederum bei eins.
Die Schwingungsisolierung beginnt oberhalb von 1,41 x f_Res. Mit steigender Frequenz der Vibrationen fällt das Übertragungsverhalten mit einer Steigung von -40 dB/Dekade ab. Das bedeutet, dass bei jeder Steigerung der Frequenz um einen Faktor 10 sich die Schwingungsisolierung um einen Faktor 100 verbessert.

Zum Beispiel überträgt ein System mit einer Eigenfrequenz von 2 Hz, d.h. bei 2,8 Hz (1,41 x 2) liegt das Übertragungsverhalten bei eins, bei 28 Hz nur noch –40 dB oder 1% der Schwingungen.
Die horizontale Isolierung der Newport Isolatoren erfolgt durch eine Pendelaufhängung. Das Verhalten der horizontalen Pendelisolierung entspricht im Grunde dem der vertikalen pneumatischen Isolierung. In diesem Fall ist die Pendeleigenfrequenz gegeben durch:

wobei “L” die Pendellänge und “g” die Beschleunigung durch die Schwerkraft sind.
Die horizontale Eigenfrequenz liegt im allgemeinen bei ungefähr 1,5 Hz. Beginnend bei 2-3 Hz schwächt der Isolator Vibrationen ab und isoliert mit steigenden Frequenzen immer besser.
Die Leistungsfähigkeit von pneumatischen Schwingungsisolierungssystemen wird durch eine niedrige Eigenfrequenz bestimmt—je niedriger, desto besser.
Der Nachteil eines Feder-Masse-Dämpfungs-Isolierungssystems besteht darin, dass es über eine sehr weiche Aufhängung verfügt, und zwar um so weicher, je besser die Isolierung arbeitet. Die kleinste Störung der Nutzlast kann zu einer signifikanten Nutzlastbewegung und zu Rückstellzeiten von bis zu zehn Sekunden führen. Das ist im Bereich der Forschung im allgemeinen akzeptabel. Doch mit dem Überführen von Forschungsprojekten in die Fertigung und Inspektionsanwendungen werden lange Rückstellzeiten in automatisierten Systemen inakzeptabel, da Kosten und Zykluszeiten zu hoch sind. Darüber hinaus sind für zahlreiche präzise Fertigungsschritte und Messungen eine Bewegung oder Neigung des Unterbaus nicht akzeptabel.
Der Begriff der Qualität wurde für Schwingungsisolierungssysteme in der Produktion mit der Zeit weiter gefasst und bekam eine anwendungsabhängige Bedeutung. Die „niedrigste Eigenfrequenz“ ist nicht mehr das einzig wichtige Kriterium, nach dem pneumatische Isolationssysteme beurteilt werden.

Leistungskriterien für Isolatoren

Für die Beurteilung pneumatischer Isolatoren existieren folgende Kriterien:

Schwingungsisolierung (niedrige Eigenfrequenz)
Rückstellzeit (vertikal und horizontal nach einer standardisierten Störung)
Genauigkeit der Niveauregulierung
Fähigkeit, bei Lastwechseln wie z.B. der Bewegung von Lineartischen das Niveau konstant zu halten
Akzeptable horizontale Bewegungen

Die Leistungsfähigkeit eines Isolators stellt einen Kompromiss aus all diesen Kriterien dar.

Stabilizer™ Hybridkammersystem von Newport gegenüber herkömmlichen Designs

Für eine gegebene Last ist die Güte der Schwingungsisolierung vor allem eine Funktion des Compliancevolumens. Eine reduzierte Steifigkeit des Diaphragmas verbessert die Schwingungsisolierung ebenfalls. Alle pneumatischen Schwingungsdämpfer müssen zudem über eine vertikale pneumatische Dämpfung verfügen, da sie sonst instabil wären. Daher besitzt ein herkömmlicher Schwingungsdämpfer eine Feder (Compliance)-Kammer, die mit der Dämpfungskammer verbunden ist. Der größte Kompromiss muss bei der Konstruktion zwischen der Isolierung und der Dämpfung eingegangen werden. Eine verbesserte Dämpfung führt zu Abstrichen bei der Schwingungsisolierung—wird die Dämpfung erhöht, steigt auch die Eigenfrequenz, was wiederum zu einem Rückgang der Isolationsbandbreite führt. Solche herkömmlichen Isolatoren mit den genannten Eigenschaften werden von zahlreichen Herstellern angeboten.

Alle seit etwa 1991 von Newport entwickelten Isolatoren basieren auf dem patentierten Stabilizer™ Design. Das auf der „Hybrid“-Kammer basierende Stabilizer Konzept verwendet die Compliance des gesamten Isolatorvolumens (beide Kammern). Das erstklassige Design von Newport arbeitet mit einem Dämpfungselement mit laminarem Luftstrom, das in einer Trennwand dicht unterhalb des Isolatorkolbens und innerhalb des gesamten Luftvolumens platziert ist. Diese Anordnung ermöglicht eine Vielzahl von Dämpfungsabstimmungen, von leicht für Anwendungen aus der Forschung bis hin zu einer sehr starken Dämpfung für industrielle Anwendungen mit Lineartischen und bewegten Lasten. Bei den stark gedämpften Versionen ist ein minimaler Anstieg der Eigenfrequenz zu verzeichnen (reduzierte Effizienz der Schwingungsisolierung).
Andere Hersteller bieten nur das herkömmliche Zweikammerdesign mit einer kleinen, die Kammern verbindenden Öffnung an. Die an das Diaphragma angrenzende Compliance Kammer fungiert als Federelement des Isolators. Durch die Öffnung und die zweite Kammer wird das System gedämpft, wenn die Luft durch die Öffnung zwischen den Kammern gedrückt wird. Hierbei ist die Größe der Öffnung äußerst wichtig. Ist sie für die Isolierung von Bodenschwingungen optimiert, so ist sie zu klein, um eine kräftige, durch einen Lastwechsel oder das Verfahren eines Lineartisches verursachte Bewegung, optimal zu dämpfen.
In dem von anderen Herstellern verwendeten herkömmlichen Zweikammerdesign ist es unmöglich, die vertikale Dämpfung für seismische Bodenstörungen erheblich zu erhöhen, ohne die Eigenfrequenz der Isolatoren zu höheren Frequenzen zu verschieben. Dadurch werden jedoch die Isolierung hochfrequenter Schwingungen beeinträchtigt und die Dämpfung bei starken Störungen gesenkt.

Dämpfung für Systeme in der Fertigung

Die Dämpfung wird im allgemeinen so gewählt, das die maximale Verstärkung im Übertragungsverhalten bei der vertikalen Isolator/Nutzlast Eigenfrequenz ungefähr bei 3 (9,5dB) liegt. Diese Dämpfung liefert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen geringer Resonanzüberhöhung und guter Schwingungsisolierung bei höheren Frequenzen. Allerdings reicht sie nicht aus, um für kurze Rückstellzeiten nach dem Verfahren eines Lineartisches oder einer anderen Störung der Nutzlast zu sorgen. Es gibt prinzipiell zwei Arten von Störungen—solche, welche die Lastverteilung auf den Isolatoren ändern, und solche, bei denen dies nicht der Fall ist:

Zu den Störungen, welche die Lastverteilung nicht beeinflussen, gehören das versehentliche Anstoßen des schwingungsisolierten Aufbaus und das Berühren des Systems, wenn Einstellungen vorgenommen werden. Um die Rückstellzeit bei diesen Anwendungen zu verbessern, kann ein Teil der Dämpfungselemente mit laminarem Luftstrom blockiert (oder in kundenspezifischen Isolatoren speziell konzipiert) werden, um die Resonanzüberhöhung auf einen Wert von etwa 2 zu begrenzen. Diese höhere Dämpfung ermöglicht Rückstellzeiten von weniger als 3 Sekunden nach einer signifikanten Störung des Aufbaus.
Zu Störungen, welche die Lastverteilung der Isolatoren verändern, gehören das Be- oder Entladen von Teilen, die bearbeitet werden, oder das Verfahren von Lineartischen. Bei diesen Anwendungen ermöglicht eine höhere Isolatordämpfung den Einsatz von Regelventilen mit höherer Leistung (Verhältnis von Luftstrom durch das Ventil zu Höhenfehler der Nutzlast). In diesen Fällen ist es möglich, die Luft schneller in die Isolatoren zu pumpen oder abzulassen, ohne dass das System zu oszillieren beginnt. Durch den stärkeren Luftstrom kann die Nutzlast während des Verfahrens eines Lineartisches oder dem Be- und Entladen genauer auf ihrem Niveau gehalten werden.

Dämpfung pneumatischer Isolierungssysteme

Aufbauend auf der stark isolierenden Stabilizer Technologie wurde eine neue Art Isolatoren im Jahre 1997 entwickelt, um eine verbesserte Dämpfung für Anwendungen mit bewegten Nutzlasten bereitzustellen. Diese Isolierungssysteme verwenden Dämpfungselemente mit laminarem Luftfluss und Hochleistungsventile. Die Standard Konfigurationen für Anwendungen mit bewegten Lasten reduzieren den laminaren Luftstrom um 50% und verbessern die Systemstabilität erheblich. Kundenspezifische Designs können außerdem durch Justage des laminaren Luftstroms, der Ventilleistung und sogar der Steifigkeit des Diaphragmas auf spezielle Geräteanforderungen abgestimmt werden.

NewDamp™ Elastomere

Systeme mit sehr hohem Durchsatz vertragen sich aufgrund der auftretenden hohen Beschleunigungen nicht unbedingt mit pneumatischen Schwingungsisolierungen. Die NewDamp Elastomere wurden 1997 entwickelt, um Systeme mit hohem Durchsatz für die Wafer-Positionierung wie MAT350 und DynamYX zu unterstützen. Diese kundenspezifischen Elastomer Dämpfer bieten erheblich bessere Dämpfungseigenschaften als andere Materialien. Sie unterliegen auch nicht mehr dem Nachteil traditioneller Elastomere,

bei denen sich durch Änderungen in der Belastung die Eigenfrequenz ebenfalls verändert hat. Das CNF Design mit konstanter Eigenfrequenz bietet somit erheblich mehr Flexibilität als frühere Isolierungssysteme mit Elastomeren. Für die Entwicklung und Fertigung kundenspezifischer NewDamp Elastomer Designs mit speziellen Anforderungen hat Newport entsprechende Kapazitäten aufgebaut.