Im Bereich der ultrapräzisen Bewegungssteuerung hängt die Leistungsfähigkeit von luftgelagerten Ultrapräzisions-Bewegungsmodulen maßgeblich von den Eigenschaften ihrer Basis ab. Granit- und Keramikbasen sind zwei vielversprechende Optionen, die jeweils spezifische Vorteile bieten und sich hinsichtlich Stabilität, Genauigkeitserhaltung, Langlebigkeit und anderer wichtiger Dimensionen deutlich unterscheiden.
Stabilität: Natürliche Kompaktheit versus künstliche Präzision
Granit entstand über lange geologische Zeiträume. Seine innere Struktur ist dicht und gleichmäßig, und Mineralien wie Quarz und Feldspat sind eng miteinander verwoben. Bei äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Vibrationen durch den Betrieb großer Maschinen in der Werkstatt, kann der Granitsockel dank seiner komplexen Kristallstruktur diese effektiv abschirmen und dämpfen. Dadurch wird die Vibrationsamplitude des auf den Luftschwinger übertragenen Ultrapräzisions-Bewegungsmoduls um mehr als 80 % reduziert. Dies bietet eine stabile Betriebsgrundlage für das Modul und gewährleistet dessen reibungslose Bewegung bei hochpräzisen Bearbeitungs- oder Prüfprozessen.
Der Keramiksockel wird in einem fortschrittlichen Syntheseverfahren hergestellt und zeichnet sich durch eine hervorragende innere Strukturhomogenität aus. Die Mikrostruktur einiger Hochleistungskeramikmaterialien ist nahezu perfekt, wodurch Vibrationen effizient gedämpft werden. Bei manchen optischen Prüfgeräten, die extrem vibrationsempfindlich sind, kann der Keramiksockel Vibrationsstörungen in einem sehr kleinen Bereich unterdrücken und so die hochpräzise Bewegung des Ultrapräzisions-Bewegungsmoduls des Luftkissens gewährleisten. Bei großflächigen und intensiven Vibrationen ist seine Gesamtstabilität jedoch der eines Granitsockels etwas unterlegen.
Genauigkeitserhalt: der natürliche Vorteil geringer Ausdehnung und das künstliche Wunder hoher Temperaturstabilität
Granit ist bekannt für seinen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von typischerweise 5–7 × 10⁻⁶/℃. Selbst bei Temperaturschwankungen ändert sich die Größe der Granit-Präzisionsbasis kaum. In der Astronomie beispielsweise wird das hochpräzise Bewegungsmodul zur Feinjustierung der Teleskoplinse mit einer Granitbasis kombiniert. Selbst bei erheblichen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht gewährleistet dies die Positioniergenauigkeit der Linse im Submikrometerbereich und hilft Astronomen so, die subtilen Veränderungen ferner Himmelskörper zu erfassen.
Keramische Werkstoffe zeichnen sich durch hohe Temperaturstabilität und geringe Wärmeausdehnung aus; der Wärmeausdehnungskoeffizient einiger Spezialkeramiken kann sogar nahezu null betragen. Selbst bei hohen oder schnellen Temperaturänderungen behält die Keramikbasis ihre Formstabilität bei und gewährleistet so die Bewegungsgenauigkeit des hochpräzisen Bewegungsmoduls der Luftlagerung. Im Lithografieprozess der Halbleiterchip-Fertigung muss die Lithografieanlage kontinuierlich in einer hochpräzisen Umgebung arbeiten. Die Keramikbasis gewährleistet die Positioniergenauigkeit des Moduls auch in der von der Anlage erzeugten hohen Wärme und erfüllt damit die strengen Anforderungen der Chipfertigung an die Nanometergenauigkeit.
Langlebigkeit: Hohe Härte natürlicher Erze und korrosionsbeständige synthetische Materialien
Granit ist sehr hart (Mohs-Härte 6–7) und weist eine gute Verschleißfestigkeit auf. Im materialwissenschaftlichen Labor wird häufig das luftgelagerte Ultrapräzisions-Bewegungsmodul eingesetzt. Dessen Granitsockel widersteht effektiv der langfristigen Reibung des Gleitstücks. Im Vergleich zu Sockeln aus herkömmlichen Materialien verlängert sich der Wartungszyklus des Moduls um mehr als 50 %, wodurch die Wartungskosten erheblich gesenkt und die Kontinuität der wissenschaftlichen Forschung gewährleistet wird.
Keramische Werkstoffe zeichnen sich nicht nur durch hohe Härte, sondern auch durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. In manchen Industrieumgebungen mit chemischer Korrosionsgefahr, wie beispielsweise im hochpräzisen Bewegungsmodul des Schwimmers in Prüfgeräten für chemische Produkte, widersteht die Keramikbasis der Erosion durch korrosive Gase oder Flüssigkeiten, bewahrt ihre Oberflächenintegrität und mechanischen Eigenschaften über lange Zeit und ist in bestimmten anspruchsvollen Umgebungen der Granitbasis überlegen.
Herstellungskosten und Verarbeitungsschwierigkeiten: Die Herausforderungen beim Abbau und der Verarbeitung von Naturstein und die technische Schwelle der künstlichen Synthese
Die Gewinnung und der Transport von Granitrohstoffen sind komplex, und die Verarbeitung erfordert hochmoderne Ausrüstung und Technologie. Aufgrund seiner hohen Härte und Sprödigkeit kommt es beim Schneiden, Schleifen, Polieren und anderen Bearbeitungsschritten leicht zu Problemen wie Kantenbruch und Rissen, was zu einer relativ hohen Ausschussquote und damit zu hohen Herstellungskosten führt.
Die Herstellung von Keramikbasen erfordert fortschrittliche Synthese- und Präzisionsbearbeitungstechnologien. Von der Rohmaterialaufbereitung über die Formgebung bis hin zum Sintern muss jeder Schritt präzise gesteuert werden. Die anfänglichen Investitionen in die Entwicklung und Produktion von Hochleistungskeramikbasen sind enorm und die technischen Hürden hoch. Sobald jedoch eine großtechnische Produktion erreicht ist, lassen sich die Kosten voraussichtlich effektiv kontrollieren, und es besteht ein kosteneffizientes Potenzial für anspruchsvolle Anwendungen.
Granit-Präzisionsfüße zeichnen sich im Allgemeinen durch hohe Stabilität und herkömmliche Langlebigkeit aus, während Keramikfüße besondere Vorteile hinsichtlich Anpassungsfähigkeit an extreme Temperaturbedingungen und Korrosionsbeständigkeit bieten. Die Wahl des Fußes sollte sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall, den Umgebungsbedingungen und dem Budget des luftgelagerten Ultrapräzisions-Bewegungsmoduls richten.
Veröffentlichungsdatum: 08.04.2025