1. Precisiebewerken,
meer dan een
proces alleen
Prof. Dr. Ir. D. Reynaerts, K.U.Leuven
dominiek.reynaerts@mech.kuleuven.be
Micro- en precisiebewerkingen
Leuven, 10 Oktober 2010
• Bewerkingsprincipes
• Case 1: Ultra-precies slijpen
• Case 2: ultra-precies meten
• Case 3: uitlijning op de machine
• Besluit
PDF slides beschikbaar op:
people.mech.kuleuven.be/~domi/mikrocentrum
Inhoud
2
3. Bewerkingsprincipes
• Bewerkingsnauwkeurigheid
• Elementtechnologie
• Bewerkingseenheid
• Kopieerprincipe
• Evolutieprincipe
• Anisotropieprincipe
• Principe van Abbe
• Werkstukmateriaal
• Distortieloos opspannen
• Bewerken in meerdere stappen
• In-situ bewerken
5
Case 2: ultra-precies meten
Case 3:
uitlijning op de machine
• Proces:
– ELID-slijpen: ELectrolitic In process Dressing
– Voordelen:
• Stabiele slijpcondities
• Condities voor ductiele materiaalafname behouden
• Minimale oppervlaktebeschadiging
• Minimale polijstbewerking vereist
Case 1: Ultra-precies slijpen
6
Koelvloeistof
Toevoer elektrolytWerkstuk
“Metal bond” slijpwiel
Elektrode
Oxide laag
Dunne
oxide laagBotte korrel
Scherpe korrel
4. • Traditioneel ontwerp: grote Abbe offset
Case 1: Ultra-precies slijpen
7
Z
Y
X
Niet-ideale Z-geleiding
Abbe
Δ
θ⋅Δ= AbbeAbbee
θ
• Conventionele configuratie
– Positiemeting op onderliggende slede
• Onopgemerkte thermische vervormingen
• Onopgemerkte vervormingen t.g.v. bewerkingskrachten
• Onopgemerkte geleidingsfouten in tussenliggende sledes
Case 1: Ultra-precies slijpen
8
Fouten door externe krachten
Z
Y
X
Fouten door thermische uitzetting
5. • Meetconcept
Case 1: Ultra-precies slijpen
9
F25 / Nano-CMM (Tue)
Bewegende lineaire encoders
Laserinterferometrie ISARA (TU Delft/IBS)
Bewegende lineaire encoder
• Meetconcept
Case 1: Ultra-precies slijpen
10A
Z
X
Y
C
Juk
Werkstukspil
Gereedschapsspil
7. Case 1: Ultra-precies slijpen
13
• Referentiemeetframe (RMF)
• Hitteschild: compensatie voor beperkte warmtegeleiding
RMF
Case 1: Ultra-precies slijpen
14
Aluminium plaat
Aluminium plaat
Aluminium buis:
“thermische kortsluiting”
Invar meetframe
8. Case 1: Ultra-precies slijpen
15
• Meetlus tijdens slijpen
• Meetlus tijdens nameten
• Totaalconcept
Case 1: Ultra-precies slijpen
16
9. • Ontwerpvoorbeelden: Meetframes
– Vereisten: Stabiel gedurende lange tijd (0.1 um gedurende 4
uur)
– Thermisch stabiel
– Materiaalkeuze (uitzettingscoëfficiënt , geleidbaarheid ,
warmtecapaciteit)
• Keuze doorsnede: maximale geleidbaarheid -> volle
doorsnede
Case 1: Ultra-precies slijpen
17
• Ontwerpvoorbeelden: Meetframes
– Lage vervormingen t.g.v. trillingen en opgelegde versnellingen
• Goede trillingsisolatie:
of
• Voldoende hoge eigenfrequenties (licht en stijf)
• Materiaalkeuze (-> stijfheid / dichtheid )
• Keuze doorsnede: licht en stijf -> holle doorsnede
– Lage vervorming t.g.v. vervorming van de onderliggende
structuur
Case 1: Ultra-precies slijpen
18
Hoge stijfheid / massa Lage stijfheid / massa
10. • Gereedschapsmeetframe
– Materiaalselectie: Invar (Invar= 1.8 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K )
– Massieve doorsnede -> maximale warmtegeleidbaarheid
– Minimale massa aan de uiteinden -> hoge eigenfrequenties
– Bevestigd op bladveren -> laat uitzetting van gereedschapsspil
toe
Case 1: Ultra-precies slijpen
19
19
• Gereedschapsmeetframe
– Berekeningsvoorbeeld: “Eindige elementen berekening”
Case 1: Ultra-precies slijpen
20
1,1 μm (1°C)
Effect uitzetting
gereedschapsspil
Resulterende meetfout
< 0.01 μm
Laagste eigenfrequentie ≈ 160 Hz
Resulterende fout t.g.v. versnellingen
< 0.005 μm
2020
11. • Werkstukmeetframe
– Materiaalselectie: Zerodur (Zerodur= 0,1 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K )
– Monolytische opbouw voor maximale stabiliteit
– Massa reductie dank zij holtes -> hoge eigenfrequenties
– Bevestigd op bladveren -> laat uitzetting van werkstukspil toe
Case 1: Ultra-precies slijpen
21 21
• Referentiemeetframe:
– Materiaalselectie: Invar (Invar= 1.8 um/m.K ; Staal = 12 um/m.K )
– Holle constructie -> hoge eigenfrequentie
Case 1: Ultra-precies slijpen
22
12. Case 1: Ultra-precies slijpen
Prestaties geregeld systeem
• Haarbare bandbreedte:
• Collocated actuator/sensor-paar:
• Non-collocated actuator/sensor-paar:
rb ff ≤
)10...5/(rb ff <
Actuator
m1
Last
m2
Fact
Xact Xlast
X
Regelaar
Xgew +
-
Fact
23
• Prestaties geregeld systeem
– Vereenvoudigd 1D model
Case 1: Ultra-precies slijpen
Model omloopspil
Machineframe
Slijpproces
Positieregelaar Snelheidsregelaar
Zdes -
+
+
-
Mact
Gereed-
schaps-
spil
Juk
Gereed-
schap
en as
Werkstuk-
tafel en -as
Werk-
stuk
24
13. • Prestaties geregeld systeem
– Resulterende stijfheid
Case 1: Ultra-precies slijpen
25
FGFWT
FC FC
HFWT ,ZWT - Zframe
HFC ,ZWT - ZG
HFG ,ZG - Zframe
• Fouten analyse budget
– Fout tijdens het slijpen:
• Repeteerbaar: 1.673 nm pp
• Niet repeteerbaar: 156 nm pp
• Fout tijdens het nameten:
– Repeteerbaar en niet-repeteerbaar: 220 nm pp
• Haalbare bewerkingsnauwkeurigheid:
– Beoogde nauwkeurigheid (300 nm ptp) ligt binnen bereik
• Voornaamste foutbronnen:
– Meetonzekerheid lasers t.g.v. turbulentie
– Kalibratie referentie spiegels
– Vervorming van RMF t.g.v. trillingen en thermische gradiënten
Case 1: Ultra-precies slijpen
26
14. Case 1: Ultra-precies slijpen
Gereedschapsspil
Hydrostatisch lager Recirculatiekanalen olie
Invar as
27
Case 1: Ultra-precies
slijpen
Gereedschapsmeetframe
Bladveer
NiP-gecoate referentiering
28
15. Case 1: Ultra-precies slijpen
Juk, lagering en ondersteuning
29
Case 1: Ultra-precies slijpen
Werkstukmeetframe
30
16. Case 1: Ultra-precies slijpen
Referentiemeetframe
31
Case 1: Ultra-precies slijpen
Machineframe
32
17. • Unieke machineconcept gekenmerkt door:
– Eindpuntmeting van werkstuk en gereedschap
– Gebruik van meetframes
– On-machine vormen van het gereedschap
– Compensatie gereedschapsslijtage
– Verticale kantelas voor constante impact zwaartekracht
– On-machine nameten van het werkstuk
– Toepassen (veralgemeend) Abbe-principe tijdens slijpen en
nameten
– Hitteschild met “thermische” kortsluiting
• Vooropgesteld vormnauwkeurigheid blijkt binnen bereik
(300 nm ptp)
Case 1: Ultra-precies slijpen
33
Bewerkingsprincipes
• Bewerkingsnauwkeurigheid
• Elementtechnologie
• Bewerkingseenheid
• Kopieerprincipe
• Evolutieprincipe
• Anisotropieprincipe
• Principe van Abbe
• Werkstukmateriaal
• Distortieloos opspannen
• Bewerken in meerdere stappen
• In-situ bewerken
34
Case 2: ultra-precies meten
Case 3:
uitlijning op de machine
18. Case 2: Ultra-precies meten
• Metingen zijn een groot probleem op micro/precisieschaal
• Rechtstreekse invloed op de bewerkingsnauwkeurigheid
• Overzicht van de problemen
– Tijdsefficient meten
• Sub-surface damage
• Nano CMM aantoetsen
– Niet-destructief meten
• Inwendige boringen (maat, vorm, oppervlaktegesteldheid)
– Reproduceerbaarheid, vergelijkbaarheid
• Verschillende technieken voor dezelfde grootheid
– Traceerbaarheid
35
Case 2: Ultra-precies meten
• Toepassingen in de micro en nanotechnologie
36
Materiaalkunde
– Distributie nanodeeltjes
– Dimensies nanodeeltjes
BASF
MEMS
– ruwheid
– dimensies
KULeuven
Informatietechnologie
– Harddisk oppervlakte kwaliteit
– Dimensies leeskop
Optica
– ruwheid
–-vorm
Electronica
– dimensies
– EUV-lithografie
Image:
Veeco
Inspectie
19. Case 2: Ultra-precies meten
• Meetprincipe voor hoge
nauwkeurigheid
– Microprobe vaste positie in
ruimte
– Interferometers meten
bewegingen vh sample
– Rechtstreeks herleidbare
metingen
– Abbe-fout beperkt
– Mechanisch en thermisch
ontwerp
37
Case 2: Ultra-precies meten
• Metrologische AFM
• IJktoestel ontworpen voor FOD Economie, KMO,
Middenstand en Energie
38
1 nm nauwkeurigheid
100 μm x 100 μm x 100 μm
kalibratie nanogrids
rechtreekse metingen
Specificaties Ontwerpcriteria:
20. Case 2: Ultra-precies meten
• Ontwerp metrologische AFM
39
• Invar metrologieframe
• Symmetrisch ontwerp
• Gescheiden kracht- en meetlus
Case 3: Uitlijning op de machine
• Probleemstelling
– Meerdere precisiebewerkingen op 1 stuk
• Herpositioneren
• Operaties op verschillende machines
• Off-machine meten
– Grijpprobleem
• Omkeren van stukken (=herpositioneren)
• Grijpen op nauwkeurig afgewerkte vlakken
40
MacroNanochuck
Flip chuck
21. Case 3: Uitlijning op de machine
• MacroNanochuck
– Evolutie vd »Macro« chuck
• Verbeterd ontwerp, materialen
en productie
– Slijpen en lappen
contactvlakken
– Ontwerp rekening houdend
met klemkrachten
– Herpositionering ± 0.5 µm
– Indexing van 90°
41
Case 3: Uitlijning op de machine
• Herpositioneren - translatie
42
Capacitive sensor in
an invar container.
Invar base plate.
Gauge block as target
for capacitive sensor.
110,2 mm
Pitch axis B
Pitch axis A1
2
3
Aluminum top plate
Nano chuck base
Nano chuck pallet
22. Case 3: Uitlijning op de machine
• Herpositioneren - translatie
0,100,200,160,060,050,130,080,08
P-V
0,0320,0590,0450,0180,0140,0340,0210,021
1s
4
0,090,150,150,110,040,120,070,08
P-V
0,0250,0510,0480,0340,0090,0320,0190,027
1s
3
0,130,180,210,070,060,110,170,12
P-V
0,0470,0740,0710,0190,0170,0310,0440,034
1s
2
0,070,120,170,090,030,070,130,10
P-V
0,0250,0480,0590,0300,0080,0230,0300,028
1s
1
AverageSensor 3Sensor 2Sensor 1AverageSensor 3Sensor 2Sensor 1
Mode 2 (90º indexing)
/µm
Mode 1 (re-positioning)
/µm
Index
position
0,100,200,160,060,050,130,080,08
P-V
0,0320,0590,0450,0180,0140,0340,0210,021
1s
4
0,090,150,150,110,040,120,070,08
P-V
0,0250,0510,0480,0340,0090,0320,0190,027
1s
3
0,130,180,210,070,060,110,170,12
P-V
0,0470,0740,0710,0190,0170,0310,0440,034
1s
2
0,070,120,170,090,030,070,130,10
P-V
0,0250,0480,0590,0300,0080,0230,0300,028
1s
1
AverageSensor 3Sensor 2Sensor 1AverageSensor 3Sensor 2Sensor 1
Mode 2 (90º indexing)
/µm
Mode 1 (re-positioning)
/µm
Index
position
43
Case 3: Uitlijning op de machine
• Herpositioneren – rotatie 90 graden
Pitch axis B
Pitch axis A
Index axis
Autocollimator B
Autocollimator A
True square (90º polygon)
44
23. Case 3: Uitlijning op de machine
• Herpositioneren – rotatie 90 graden
0.570.17-0.160.860.31-0.204 - 1
0.740.24-0.110.900.29-0.163 - 4
0.890.27-0.501.060.31-0.242 - 3
0.650.180.761.070.330.591 - 2
P-V
/arcsec
Repeatability (1s)
/arcsec
Deviation
/arcsec
P-V
/arcsec
Repeatability (1s)
/arcsec
Deviation
/arcsec
Rotation counter clockwiseRotation clockwiseIndex
angle
between
position
0.570.17-0.160.860.31-0.204 - 1
0.740.24-0.110.900.29-0.163 - 4
0.890.27-0.501.060.31-0.242 - 3
0.650.180.761.070.330.591 - 2
P-V
/arcsec
Repeatability (1s)
/arcsec
Deviation
/arcsec
P-V
/arcsec
Repeatability (1s)
/arcsec
Deviation
/arcsec
Rotation counter clockwiseRotation clockwiseIndex
angle
between
position
45
Case 3: Uitlijning op de machine
• Flip chuck
46
24. Case 3: Uitlijning op de machine
• Flip chuck
1 2 3 4
47
Case 3: Uitlijning
• Grijpen op optisch oppervlak
– UV lijm
• Grijpen op vrije-vorm opp.
– adaptiviteit
• Omkeren werkstuk mogelijk
• Industriële (System3R)
interface
48
25. Case 3: Uitlijning
49
Case 3: Uitlijning
• Flip chuck karakteristieken
– Stijfheid ~ 50 N/um
– Demping
– Oppervlaktekwaliteit
(ok reiniging voor coating)
– Nauwkeurigheid
door krimp ~ 0.5 um
50
26. Case 3: Uitlijning op de machine
• Freesparameters (Kern MMP)
– Tool: two-teeth milling tool,
Ø 2mm, 30,000 rpm
– Depth of cut 40 µm
– Feed rate 400 mm/min
51
Algemeen besluit
• Precisiebewerken, meer dan een proces alleen
• Het “geheim” van precisie zit evengoed in de machine
als in het proces of in het materiaal
• Concurrent, holistisch, “Totaal” ontwerp van
– Proces
– Machine
– Opspangereedschap
– Metrologie
– Materiaal
• Precisie vraagt vakmanschap en multidisciplinariteit
52
