Luftlager

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Luftlager, aerostatische oder aerodynamische Lager sind Lager, bei denen die beiden zueinander bewegten Lagerungspartner durch einen dünnen Luftfilm getrennt sind. Dadurch erlauben sie eine stick-slip-freie und reibungsfreie Bewegung. Sie werden bevorzugt in Präzisionsmaschinen (Mess- und Bearbeitungsmaschinen) und schnelllaufenden Maschinen (Hochgeschwindigkeitsspindeln) verwendet.

Man unterscheidet aerodynamische Lager, die das Luftpolster durch die Bewegung selbst aufbauen, und aerostatische Lager, bei denen Druckluft zum Aufbau des Druckpolsters eingeleitet wird. Aerodynamische Lager benötigen keine Druckluftversorgung, haben aber das Problem, dass sich die beiden Lagerpartner unterhalb einer charakteristischen Relativgeschwindigkeit (linear oder rotativ) berühren und damit Reibung aufweisen, die zu Verschleiß führt.

Eine neue Form stellt das Ultraschallluftlager dar, das durch den Nahfeldeffekt im Ultraschallfeld hervorgerufen wird und damit keine externe Luftversorgung benötigt. Es wird derzeit weniger als Maschinenelement als zum berührungslosen Greifen und Transportieren von flächigen Gegenständen verwendet. Transportmittel und Transportgut werden dabei durch einen Luftspalt von 50−300 µm getrennt.

Luftgelagerte Hochfrequenz-Bohrspindel mit integriertem Vorschub (mehrfach patentiert)
Luftlagerung einer Hochfrequenzspindel für das Leiterplattenbohren

Luftlagerarten[Bearbeiten]

Luftlager gehören grundsätzlich zur Klasse der Gleitlager. Die in den Lagerspalt, d. h. zwischen die zueinander bewegten Gleitflächen gepresste Druckluft bildet das Schmiermedium. Zugleich wird mit ihr ein Druckpolster aufgebaut, das die Last berührungsfrei trägt. Die Druckluft wird normalerweise von einem Kompressor zur Verfügung gestellt. Ziel ist, für den Druck, die Steifigkeit und die Dämpfung des Luftpolsters ein möglichst hohes Niveau zu erreichen. Dabei spielen der Luftverbrauch und die gleichmäßige Einspeisung der Luft über die gesamte Lagerfläche eine entscheidende Rolle.

Sogenannte Totvolumina sind alle Hohlräume, in denen die Luft bei Lagerspaltänderung nicht komprimiert werden kann. Sie tragen damit nicht zum Lagerungseffekt bei, denn sie stellen eine weiche Gasfeder dar, die zum Schwingen anregt. Zu den Totvolumina zählen insbesondere Kammern und/oder Kanäle, wie sie konventionelle Luftlager aufweisen, um die Luft gleichmäßig zu verteilen und den Druck im Lagerspalt zu erhöhen. Diese sind für die Dynamik des Luftlagers äußerst schädlich und regen zu selbsterregten Schwingungen an.

Technologisch unterscheiden sich Luftlager nach ihrem inneren Aufbau, wie die Luftversorgung und -verteilung im Lagerspalt realisiert wird:

Luftlagerarten
Konventionelles Düsen-Luftlager
Eindüsen-Luftlager mit Vorkammer
Düsen-Luftlager mit Kammern und Kanälen
Sinterluftlagern

Konventionelle Düsenluftlager[Bearbeiten]

Bei konventionellen Düsen-Luftlagern fließt die Druckluft über wenige, jedoch relativ große Einströmdüsen (Durchmesser 0,1 - 0,5 mm) in den Lagerspalt. Dadurch ist ihr Luftverbrauch wenig flexibel, und die Lagereigenschaften können nur unzureichend an die Randbedingungen (Kräfte, Momente, Lagerfläche, Lagerspalthöhe, Dämpfung) angepasst werden. Um die Luft bei der geringen Anzahl an Einströmdüsen dennoch möglichst gleichmäßig im Spalt verteilen zu können, werden verschiedene konstruktive Maßnahmen getroffen. Sie alle erzeugen jedoch Totvolumina (nicht verdichtbare und damit weiche Luftvolumina).

Konventionelle Eindüsen-Luftlager mit Vorkammer haben um die zentral angeordnete Düse eine Kammer. Ihre Fläche beträgt üblicherweise 3 - 20 % der Lagerfläche. Selbst bei einer Vorkammer-Tiefe von nur wenigen 1/100 mm ist das Totvolumen dieser Luftlager sehr groß. Im ungünstigsten Fall besitzen diese Luftlager statt einer Vorkammer einfach nur eine konkave Lagerfläche. Alle diese Luftlager besitzen neben sehr vielen anderen Nachteilen insbesondere eine äußerst schlechte Kippsteifigkeit.

Typische konventionelle Düsen-Luftlager werden mit Kammern und Kanälen ausgeführt. Dadurch soll bei einer begrenzten Anzahl Düsen das Totvolumen gegenüber Eindüsen-Luftlagern mit Vorkammer verkleinert und dennoch die Luft gut im Spalt verteilt werden. Die meisten konstruktiven Ideen beziehen sich hier auf spezielle Kanalstrukturen. Luftlager mit Mikrokanalstrukturen ohne Kammern werden von einigen Herstellern seit Ende der 1980er Jahre hergestellt. Doch auch hier bleiben die Nachteile von Totvolumina erhalten. Mikrokanäle besitzen einen starken Abfall von Tragkraft und Steifigkeit mit zunehmender Lagerspalthöhe. Daher haben sie gerade bei dynamischen Anwendungen, wie hochbeschleunigten Linearantrieben oder hochfrequenten Spindeln, gravierende Nachteile.

Sinterluftlager[Bearbeiten]

Bei sogenannten Sinterluftlagern handelt es sich um ein Pulvermetallurgisches Produkt. Hier soll das poröse Lagermaterial für ein gleichmäßiges Verteilen der Luft sorgen. Vorteile des Sinterluftlagers sind unter anderen ein ruhiger Lauf, geringer Verschleiß und dass es RoHS konform ist. Nachteile sind das große Totvolumen (Hohlstellen im Material) und das ungleichförmige Ausströmen der Luft infolge der unregelmäßigen Porosität. Damit verbunden sind auch die hohen Schwankungen der Lagereigenschaften dieser Luftlager. Systembedingt können Sinterluftlager nur in einem sehr geringen Temperaturbereich zwischen 0 °C und 50 °C eingesetzt werden.

Luftlager mit Laser-gebohrten Mikrodüsen[Bearbeiten]

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Schnitt durch ein zylindrisches Lagerelement von Aerolas
Laserbearbeitung (Schnitt durch ebenes Lagerelement)

Die Innovation liegt zum einen in der Basistechnologie selbst, aber auch in ihrer Umsetzung. Die Vorteile sind signifikant,weil sich die statischen und dynamischen Eigenschaften dieser Luftlager unabhängig voneinander gezielt einstellen lassen.

Die Basistechnologie mit Laser-gebohrten Mikrodüsen ermöglicht physikalisch das effizienteste Luftlager überhaupt. Daraus resultieren einzigartige technische Lagereigenschaften (Tragkraft, Steifigkeit, Dämpfung usw.). Niedrige Betriebskosten werden durch einen optimierten Luftverbrauch garantiert. Über die Variation der Düsengröße, die Lage der Mikrodüsen und ihre Verteilung können die statischen und dynamischen Lagereigenschaften für jede Anwendung optimal und unabhängig voneinander aufeinander abgestimmt werden.

Die Lagereigenschaften bieten Möglichkeiten in der Umsetzung, die weit über die Lösungen konventioneller Luftlager und Sinterluftlager hinausgehen. Beispiele sind: Beschleunigungen über 1000 m/s² (100 g) bei Linearantrieben oder sogar über 100.000 m/s² bei Stoßantrieben aufgrund der hohen Dämpfung und dynamischen Steifigkeit; Positionierungen im Sub-Nanometer-Bereich aufgrund des verschwindend kleinen Rauschens; dichtungsfreies Übertragen von Versorgungsgasen oder Vakuum bei Dreh- oder Linearantrieben über den Lagerspalt aufgrund gezielter Luftführung. Die Vielzahl an Mikrodüsen anstatt weniger großer Düsen verhindert bei diesen Luftlagern dynamisch schädliche Totvolumina. Ebenso schädlich wirken sich bei Luftlagern aus porösem Lagermaterial (Sinterluftlager) die Hohlräume im Material aus.

Die Mikrodüsen werden automatisiert mit dem Laser in höchster Qualität und Reproduzierbarkeit gebohrt. Die physikalischen Eigenschaften der Luftlager bei kleinen wie bei großen Serien weisen geringste Streuungen auf. Manuellen, kostenintensive Fertigungsschritte wie bei konventionellen Luftlagern entfallen.

Anzahl, Geometrie und Verteilung der Mikrodüsen werden auf der Basis fundierter Theorien und anhand von Software berechnet. Dadurch können die Eigenschaften der Luftlager optimal den Anforderungen der Applikationen angepasst werden.

Technische Vorteile[Bearbeiten]

Nachfolgend die Vorteile der Mikrodüsenluftlager-Technologie. Einige, wie die hohe Flexibilität, die gleichermaßen herausragenden statischen und dynamischen Eigenschaften und die geringste Rauschanregung, sind erwiesenermaßen Alleinstellungsmerkmale unter allen Luftlagern:

  • effiziente Nutzung des Luftpolsters durch das gleichförmige Druckniveau (nahe der physikalischen Grenze) im gesamten Lagerspalt;
  • optimale Kombination der statischen und dynamischen Luftlagereigenschaften;
  • höchstmögliche Flexibilität zur Einstellung aller Luftlagereigenschaften: so kann z. B. auf maximale Tragkraft, Steifigkeit, Kippsteifigkeit, Dämpfung oder minimalen Luftverbrauch bei bestimmten Lagerspalthöhen (jeweils auch in Kombination) optimiert werden;
  • höchste Genauigkeit, z. B. in der Messtechnik, aufgrund verschwindend kleiner Störbewegungen (< 2 Nanometer) durch die physikalisch kleinst- mögliche Rauschanregung;
  • deutlich höhere Kippsteifigkeit als konventionelle Luftlager, bei denen die Luft im Spalt über die Kanäle von den belasteten zu den unbelasteten Stellen abfließt;
  • Schwingungsfreiheit im gesamten Betriebsbereich auch bei sehr hohen Versorgungsdrücken (in Abstimmung sind auch deutlich über 30 bar möglich);
  • höchste Funktionssicherheit durch die hohe Anzahl an Lufteinströmdüsen: ein Verstopfen der Düsen durch Partikel ist faktisch ausgeschlossen (kein einziger Ausfall im Serienbetrieb), da ihr Durchmesser wesentlich größer als die Lagerspalthöhe ist;
  • Möglichkeit zur Anpassung der Lagereigenschaften auf Verformungen bzw. Toleranzen der Lager- und Gegenfläche;
  • Verwendbarkeit für sehr viele Lagermaterialien und Beschichtungen nachgewiesen.
  • Anwendungen bei Applikationen mit hohen oder tiefen Temperaturen (-100°C bis über 400°C)
Standard-Luftlager
Standardlager rund
Standardlager rechteckig

Die Vorteile von Laser-gebohrten Luftlagern zu anderen Luftlagerarten zeigen sich bereits im Vergleich von Standard-Luftlagern, meist als Lagerpads bezeichnet:

Die maximale Steifigkeit ist höher und wird zudem bei relevanten (größeren) Lagerspalthöhen erreicht. Nur mit der Mikrodüsenluftlager-Technologie können derart hohe Steifigkeiten mit ausgeprägten Maxima ohne weitere Nachteile auch bei größeren Spalthöhen erreicht werden. Im realen Betrieb mit empfehlenswerten Lagerspalthöhen, die i.a. größer als 4 µm sind, liegen die tatsächlichen Steifigkeiten im Vergleich um das Zwei- bis Fünffache höher.

Schwingungsprobleme, wie sie andere Luftlager aufweisen, treten bei Mikrodüsenuftlager selbst bei deutlich höheren Versorgungsdrücken (bis über 30 bar) nicht auf. Die höhere Kippsteifigkeit der Lager ermöglicht die bessere Dynamik (Beschleunigung, Ruck, Geschwindigkeit) und Laufruhe des Gesamtsystems.

Standard-Luftlager (Lagerpads)[Bearbeiten]

Standardlager mit Laser-gebohrten Mikrodüsen existieren in verschiedenen Varianten für die Anbindung im Gesamtsystem:

  • Lager mit flexibler Anbindung über einen Bolzen mit Kugelgelenk. In dieser Ausführung werden Standardlager typischerweise im Markt angeboten:
  • Lager mit hoch-steifem Gelenk anstatt eines konventionellen Bolzens mit Kugelgelenk. Damit wird die Steifigkeit des Gesamtsystems erheblich gesteigert.
  • Lager mit integriertem Kolben zur Vorspannung statisch bestimmter Lagerungen.

Weitere Ausführungen, z. B. Lager mit integrierter Vakuum- oder Magnetvorspannung sowie aus alternativen Materialien werden in zahlreichen Applikationen eingesetzt. [1] [2] [3]

Vorteile des Luftlagers[Bearbeiten]

Lagervergleich

Verschleißfreiheit, Lebensdauer[Bearbeiten]

Luftlager arbeiten kontaktfrei und weisen im Betrieb keinerlei Festkörperreibung (nur Luftreibung im Spalt) auf. Ihre Lebensdauer ist deshalb im ungestörten Betrieb (mit Luftversorgung) quasi unbegrenzt. Wälz- oder Gleitlager haben insbesondere bei höheren Beschleunigungen einen erheblichen Abrieb, der infolge des Verschleißes zu einer Reduzierung der Führungsgenauigkeit und damit zu ihrem Ausfall führt.

Führungs-, Wiederhol- bzw. Positioniergenauigkeit[Bearbeiten]

In der Chipproduktion werden im Back-End beim Positionieren heute schon Wiederholgenauigkeiten von 1 bis 2 µm beim Wire Bonden und 5 µm beim Die Bonden benötigt. Mit Wälzlagern sind damit die physikalischen Grenzen erreicht, wenn nicht gleichzeitig die Beschleunigungen reduziert werden. Im Front-End (Lithographie) sind Luftlager bereits etabliert. Hier bietet die höhere Führungsgenauigkeit der Mikrodüsenlager Vorteile, die zusammen mit der abgestimmten Antriebsregelung einen Gewinn gegenüber heutigen Lösungen mit konventionellen Luftlagern bedeuten.

Beim Bestücken in der Elektronikproduktion steigen die Anforderungen an die Genauigkeiten derzeit rapide durch kleinere Bauteile und Technologiewechsel, z. B. zur Chip-on-Board-, Flip-Chip-Technologie oder zum Wafer-Level-Chip-Packaging. Damit werden auch hier zukünftig Wiederholgenauigkeiten von unter 10 µm gefordert, die mit Wälzlagern aufgrund des Stick-Slip- und "Schubladen"-Effekts nicht mehr erreicht werden können. Luftlager bieten hier alleinig die Voraussetzungen für die zukünftigen Anforderungen an die Produktivität bei hoher Reinheit (Öl- und Fettfreiheit).

Kostenvorteile und Reproduzierbarkeit[Bearbeiten]

Luftlager zeichnen sich durch höchste Reproduzierbarkeit, Vollautomatisierbarkeit und geringe Kosten durch die schnelle Bearbeitung aus. Deshalb kann die Technologie auch erstmals für Großserien, z. B. in der Druck-, Textil oder Automobiltechnik, eingesetzt werden. In Serien können Luftlager sogar Kostenvorteile gegenüber Wälzlagern aufweisen: So ist eine kugelgelagerte Hochfrequenzspindel von wälz- und luftgelagerten Spindeln in der Herstellung ca. 20 % teuerer als eine luftgelagerte.

Reinheit, Öl- und Fettfreiheit[Bearbeiten]

Die Chipproduktion erfolgt im Allgemeinen im Reinraum. Bereits geringfügige Verschmutzungen können Ausschuss und damit hohe Kosten verursachen. In der Elektronikproduktion steigen mit kleineren Bauteilen ebenfalls die Reinheitsanforderungen an die Umgebung. Luft ist im Unterschied zu Öl bzw. Fett ein optimales Schmiermedium, weil es in der gleichen Reinheit wie die umgebende Luft verfügbar ist. Deshalb kann bei Luftschmierung auf eine aufwendige Abdichtung des Lagers verzichtet werden.

Ökologische Vorteile[Bearbeiten]

Das Entfallen von umweltbelastenden, mineralölbasierten oder synthetischen Schmierstoffen weckt derzeit das Interesse an Luftlagern auch außerhalb der klassischen Bereiche. Ökologische Vorteile bietet das Luftlager insbesondere gegenüber öl- bzw. fettgeschmierten Gleitlagern.[1]

Berechnungsmöglichkeiten[Bearbeiten]

Druckverlauf
Strukturanalyse (FEM-Simulation)
Druckverlauf im Lagerspalt eines ebenen Lagerelements
Druckverlauf im Lagerspalt eines bewegten ebenen, runden Lagerelements
Druckverlauf im Lagerspalt eines gekippten Lagerrings
Druckverlauf im Lagerspalt einer belasteten Spindel
Kennlinien
Vergleich zwischen Berechnung und Messung
Kennlinien eines realen Luftlagers
Bewegungsdiagramm eines luftgelagerten Präzisionsantriebs (700 mm Verfahrweg)

Zur Berechnung von Luftlagern wurde eine speziell zugeschnittene FEM-Software entwickelt, die insbesondere bei Luftlagern mit Laser-gebohrten Mikrodüsen zu einzigartigen Ergebnissen führt. Sie wurde auf der Basis exakter theoretischer Modelle entwickelt. Dadurch können Berechnungsaufgaben gelöst werden, die weit außerhalb der Möglichkeiten aller bisherigen Auslegungsformeln und numerischen Berechnungen liegen.

Nachfolgend werden Berechnungsbeispiele vorgestellt:

Theoretische Modellierung[Bearbeiten]

Die Berechnung der Lagereigenschaften beruht auf der Simulation der Strömungsvorgänge im Lagerspalt und in den Mikrodüsen. Das Ergebnis ist der Druckverlauf im Lagerspalt. Aus ihm lassen sich alle statischen Kennwerte ableiten. Die Ergebnisse beruhen also auf der Beschreibung der tatsächlichen physikalischen Effekte und erlauben eine klare Vorstellung von den späteren realen Verhältnissen.

Geschwindigkeit[Bearbeiten]

Ebene Luftlager, die bewegt werden, verkippen aufgrund aerodynamischer Effekte im Spalt. Abhängig von der Kippsteifigkeit des Luftlagers verringert sich seine Tragkraft mit zunehmender Geschwindigkeit bis hin zu einer Grenze, ab der es versagt. Für Luftlager liegt diese Grenzgeschwindigkeit auslegungsabhängig bei einigen Dutzend m/s. Für Luftlager mit Kammern und Varianten von Kanalstrukturen sind jedoch schon Geschwindigkeiten von wenigen m/s gefährlich.

Kippsteifigkeit[Bearbeiten]

Für viele Anwendungen ist die Kippsteifigkeit eines Lagerelements oder einer kompletten Führung von großer Bedeutung. Die Simulation liefert auch dafür exakte Werte. Vergleiche mit konventionellen Luftlagern zeigen hier einen der vielen Vorteile der Mikrodüsenluftlager-Technologie, die ihr Druckpolster da aufbaut, wo es auch wirklich benötigt wird.

Verformung[Bearbeiten]

Die Steifigkeit eines Luftlagerkörpers wird im Verhältnis zur Steifigkeit des Luftpolsters oft überschätzt. Das Diagramm zeigt die Kennlinien eines ebenen Lagerelements (Höhe 20 mm, Durchmesser 80 mm) im Vergleich zu den theoretischen Kennlinien eines starren Luftlagers gleicher Geometrie. Auf der Basis derartiger Berechnungen wird sowohl das Material der Luftlager festgelegt als auch die Anordnung und Anzahl der Mikrodüsen gezielt auf die Verformung angepasst.

Die Verformung der Lagerfläche durch die Flächenlast des Luftpolsters wird mittels einer Strukturanalyse berechnet. Das Ergebnis geht dann als Parameter in die Berechnung der Luftlager-Kennlinien ein. Durch einen iterativen Prozeß kann so für jeden Punkt der Kennlinie die tatsächliche Verformung und das tatsächliche Druckprofil berechnet werden.

Spindeln und zylindrische Luftlager[Bearbeiten]

Die FEM-Software erlaubt auch die Berechnung von rotationssymmetrischen Bauteilen. Tragkraft, Steifigkeit, Kippsteifigkeit und Luftverbrauch einer kompletten Spindellagerung können im Stillstand und bei Drehzahl (inklusive dynamischer Effekte) exakt berechnet werden. Dadurch ist die Vorhersage von maximaler Drehzahl und Eigenfrequenzen möglich; eine unabdingbare Voraussetzung für den Bau einer optimalen Spindel.

Zylindrische Luftlager können mit den Berechnungsverfahren hinsichtlich Steifigkeit, Luftverbrauch und der Auswirkung mechanischer Toleranzen in der Fertigung optimiert werden.

Genauigkeit[Bearbeiten]

Die Berechnungsmodelle sind durch Messungen vielfach validiert. Typischerweise stimmen die Ergebnisse mit der Wirklichkeit auf 5 % bei der Tragkraft und auf 10 % bei der Steifigkeit überein. Die Abweichungen resultieren nicht etwa aus Fehlern bei den Berechnungen, sondern aus den Beschaffenheiten (Formabweichungen usw.) realer Lagerflächen.[1]

Beispiele[Bearbeiten]

Automobil- und Medizintechnik
Luftgelagerter Messerantrieb bewegt
LuftgelagerterTurbolader
Luftgelagerter Computer-Tomograph (mehrfach patentiert)
Linearantriebe
Luftgelagerter 2-Achstisch mit Reibradantrieb
Luftgelagerte Dopplerantrieb bewegt
Luftgelagerter Linearantrieb für Produktionsmaschine (kopfüber-Betrieb)
Flying dutchman bewegt
4-achs-einheit bewegt
Raumfahrt- und Produktionstechnologie
Luftgelagertes Entfaltsystem für Satelliten Solar Arrays
Magnetisch vorgespanntes Gleitsystem
Luftlager zum Ausrichten von Bauteilen
Rohrlagerung
Chuck mit integriertem luftgelagerten Hubantrieb
2 Justierschlitten für die Produktion optischer Bauteile
Sonstiges
Lager mit Kolbenaktor
Luftlagerbuchse im Serieneinsatz (Leiterplattenbohrmaschine)
Flat panel stage 1

Automobiltechnologie[Bearbeiten]

  • Luftgelagerter Messerantrieb

Die Luftlager spielen ihre Vorteile bei hochfrequenten Bewegungen mit kleinen Hüben geradezu ideal aus. Selbst bei derartigen Bewegungen, die für Kugel- bzw. Wälzlager einen hohen Verschleiß bedeuten, ist die Lebensdauer quasi unbegrenzt. Mit kundenspezifischen Entwicklungen in kompakter Bauweise wird die Kraft des Motors bestmöglich in Dynamik umgesetzt.

  • Luftgelagerter Turbolader

Als vertrauensbildende Maßnahme und für erste Untersuchungen wurden zunächst konventionelle, ölgelagerte Turbolader zu luftgelagerten Lösungen umgebaut. Für eine reale zukünftige Version fließen Ergebnisse aus Hochtemperaturluftlagern, Massenprodukten (als Nachweis der Herstellkosten) und Hochfrequenz-Spindeln ein.

Linearantriebe[Bearbeiten]

Das breite Feld reicht von ultrapräzisen Antrieben für die Messtechnik über komplexe, robuste Multifunktionalsysteme für die Elektronik- und Halbleiterproduktion bis hin zu kostengünstigen Antrieben für die Automatisierungstechnik.

  • Präzisionsmesstisch

Seine filigrane Struktur ermöglicht Durchlichtmessungen in der 300-mm-Chip-Produktion bei höchsten Genauigkeiten. Die Luftlager sind insbesondere auf einen niedrigen Luftverbrauch bei höchster Steifigkeit ausgelegt.

  • Hochbeschleunigter Dopplerantrieb

Der hochbeschleunigte Dopplerantrieb besitzt einen Kohlefaserspiegel (Fläche 500 mm x 250 mm), der bei Beschleunigungen bis zu 300 m/s² mit flexiblen Bewegungsprofilen hochgenau geführt wird. Die Lösung ist als luftgelagerter Antrieb ausgeführt: Der Führungsholm (Länge 900 mm), an dem der Spiegel befestigt ist, ist ebenfalls aus CFK gefertigt und trägt die Magnete der Linearmotoren. Die Kabel bzw. Schläuche (Motor, Luftlager, Messsystem) werden nicht mitbewegt, damit keine Brüche infolge der hohen Lastwechsel auftreten. Die Luftlagerung ist absolut unempfindlich gegenüber Geometrieschwankungen infolge Temperatureinfluss.[2]

  • Antrieb für Produktionsautomaten

In Produktionsautomaten hat neben der Performance die Zuverlässigkeit höchste Priorität. Die Luftlagerung ist statisch bestimmt ausgeführt. Die Vorspannung erfolgt direkt durch den eisenbehafteten Linearmotor bzw. durch Kolbenlager. Dadurch ist der Antrieb einfach zu montieren und unempfindlich gegen Geometrieänderungen, z. B. durch Temperatureinflüsse oder die Aufstellung des Automaten.

Halbleiter-Technologie[Bearbeiten]

  • Luftlagerung für Inspektionsgerät

Der Chip zur Vermessung von Wafern und Flat Panels muss sehr genau und ohne Berührung über die Oberfläche geführt werden. Dazu ist der Chip direkt in die Lagerfläche integriert. Seine maximale Abstandsänderung von der Oberfläche, d. h. die Schwankung der Spalthöhe des Luftlagers, ist kleiner 0,5 µm. Beim Aufsetzen dürfen Luftlager und Chip die zu vermessende Oberfläche nicht berühren. Als Aktor für die Auf- und Abbewegung dient ein Pneumatikkolben, der aus Gründen der Reproduzierbarkeit ebenso luftgelagert ist. Über den Luftdruck wird die Vorspannkraft auf das Luftlager und damit die Lagerspalthöhe eingestellt.

  • Chuck mit integriertem Hubantrieb

Der Chuck kann für das elektrische Prüfen der Wafer Stick-Slip-frei bis zu 3 mm angehoben werden. Unabhängig von der Hubbewegung bis zum Erreichen der erforderlichen Kontaktkraft ist die Kraft auf die Prüfspitzen konstant. Der Hubantrieb basiert auf Tauchspulen; seine Führung ist luftgelagert. Zwischen Antrieb und Chuck begrenzt ein luftgelagerter Pneumatikkolben einstellbar die Kontaktkraft.

Medizintechnologie[Bearbeiten]

Fett- bzw. ölfreie Antriebe für Atemgeräte, Stick-Slip-freie Bewegungen bei Scannern oder hohe Drehzahlen bei großen Rotoren: All das ist bereits luftgelagert gelöst.

  • Luftgelagerter Computer-Tomograph

Hohe Drehzahl (> 5,5 Hz / 330 U/min), niedrige Herstellkosten, geringes Geräusch, großer freier Durchmesser des Rotors (> 1 m), geringes Gewicht des Rotors und Gestells, die volle Kippbarkeit des Rotors sowie die hohe Zuverlässigkeit sind die umfassenden Vorteile dieses Instruments. Eine Version mit Riemenantrieb anstatt des Direktantriebs ist ebenso möglich.

Produktionstechnologie[Bearbeiten]

  • Luftlager zum Ausrichten von Bauteilen

Mit Hilfe eines luftgelagerten Führungskörpers können optische Bauteile auf einen gemeinsamen Durchmesser auf einem Drehtisch ausgerichtet werden. Der Führungskörper schwimmt vakuumvorgespannt mit konstanter Lagerspalthöhe kontaktfrei auf dem Drehtisch.

  • Justierschlitten für die Optikproduktion

Der Linearschlitten dient zum hochgenauen Positionieren des Objekts in der Optikfertigung. Ausgeführt als statisch bestimmte Lagerungen kann sich das Bearbeitungsobjekt zum Schleifen in der Maschine reibungs- und kräftefrei in Achsrichtung selbst ausrichten. Beim Klemmen des Linearschlittens zum Bearbeiten bleibt diese Position im Sub-µm-Bereich erhalten.

Spindeln[Bearbeiten]

Hauptartikel: Luftlagerspindel

Inzwischen reicht das breite Spektrum an Spindeln von Kleinstspindeln mit geringster Reibung bis hin zu Spindeln mit höchsten Drehzahlen über 300.000/min. Häufig im Einsatz findet man Sie in Form von Leiterplattenbohrspindeln, Präzisions-Scannerspindeln und Präzisions-Schleifspindeln.

Kurzhubantrieb[Bearbeiten]

Die Innovation des Kurzhub-Antriebs liegt in seiner Luftlagerung begründet, die direkt in den eisenbehafteten Linearmotor integriert ist. Dadurch ist die bewegte Masse niedrig, und es können höchste Beschleunigungen und Genauigkeiten erreicht werden. Seine herausragenden Vorteile beweist der Antrieb bei kurzen Hüben im µm- und mm-Bereich mit hohen Frequenzen bis weit über 100 Hz. Dank seiner optimalen Luftschmierung ist die Lebensdauer auch bei hochdynamischen Bewegungen quasi unbegrenzt. Der Antrieb ist damit ideal z. B. für Unrunddrehmaschinen (Kolbenherstellung), Pressen oder Leiterplattenbohrmaschinen geeignet.

Drehantrieb[Bearbeiten]

Der luftgelagerte Drehantrieb ist mit seinem integrierten Synchronmotor direkt angetrieben. Herausragend ist die kompakte Bauform: Mit einem freien Durchmesser von 350 mm ist der Außendurchmesser gerade mal 500 mm und seine Höhe nur 56 mm. Der Rotor besitzt eine Vakuumversorgung, die kabellos vom Stator übertragen wird. Der Drehantrieb ist durch seine hohe Laufruhe und die öl-/fettfreie Lagerung ideal für Messaufgaben geeignet. Seine maximale Drehzahl beträgt 500 U/min.

Raumfahrttechnologie[Bearbeiten]

  • Luftmagnet-Gleitsystem

Solar Arrays von Satelliten können in den Trägerraketen nur gefaltet transportiert werden. Im Orbit angekommen, entfalten sie sich über Federmechanismen schwerelos und reibungsfrei. Dieser Vorgang muss auf der Erde aus Sicherheitsgründen mehrmals getestet werden. In der entwickelten Testanordnung werden die Solar Arrays zur Kompensation der Schwerkraft an magnetisch vorgespannten Luftlagern aufgehängt. Auf diese Weise kann der Bewegungsvorgang mit minimalem Reibungseinfluß, d. h. weitestgehend realitätsnah getestet bewegen. Die Anordnung bietet außerdem einen absolut wartungsfreien Betrieb bei stets gleichen Bewegungsverhältnissen.

Die einzelnen Luftlagerelemente (Durchmesser 34 mm) mit integrierten Magneten sind so klein gestaltet, daß sie bei einer Lagerspalthöhe von ca. 25 µm problemlos auf normalem gewalzten Blech berührungsfrei gleiten können. Die Zugkraft eines Luftlagers für jeweils ein Solar Array beträgt ca. 600 N. Sie wird erreicht, indem die Last ähnlich einem Mobile auf 16 einzelne Luftlagerelemente gleichmäßig verteilt wird. Der Entfaltvorgang der Solar Arrays wurde für eine Fläche von 21 m x 2,5 m konzipiert.

Das mit Permanentmagneten vorgespannte, luftgelagerte Führungssystem läßt sich für hängende Transportbewegungen ebenso auch in vielen anderen Bereichen einsetzen, beispielsweise zur stick-slip-freien Positionierung von Bauteilen in der Montage.

Siehe auch[Bearbeiten]

  • Luftkissen (Transport von Lasten auf ebenem Untergrund)

Literatur[Bearbeiten]

  • A. Schroter: Ausgleichsvorgänge und Strömungsgeräüsche beu aerostatischen Lagern mit flächig verteilten Mikrodüsen In:VDI Fortschrittsberichte,VDI Verlag, 1995
  • M. Gerke: "Auslegung von ebenen und zylindrischen aerostatischen Lagern bei stationären Betrieb"Diss.,TU München,1991
  • Patentanmeldung DE4436156: Aerostatische Lager und Verfahren zur Herstellung eines aerostatischen Lagers. Angemeldet am 10. Oktober 1994, veröffentlicht am 10. Oktober 2014, Anmelder: J. Heinzl; M.Muth; B. Schulz, Erfinder: J. Heinzl; M.Muth; B. Schulz (Geschäftsverfahren).

Weblinks[Bearbeiten]

  •  Commons: Luftlager – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  • Luftlager Youtube Video Kanal
  • Aerolas.de: "Luftlager von gestern, heute und morgen" – Neben der Geschichte des Luftlagers seit den 1950er Jahren und dessen Technologie, findet sich auf der Website auch eine nochmals umfangreichere Anzahl an Anwendungsbeispielen.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c Bernd Schulz: Herstellung von aerostatischen Lagern mit Laserendbearbeitung In: Fortschritt-Berichte VDI Nr.525, 1999.
  2. a b Joachim Klement: Funktionsweise der Luftlager In: Technologie der elektrischen Direktantriebe Nr. 12, 2009, S.56-60.
  3. J. W. Bartz: Luftlagerungen,1993.