Strukturdämpfer

Hervorragend geschützt

Für die Herstellung von Siliziumwafern, die als Ausgangsprodukte für Halbleiterbauelemente dienen, sind spezielle Öfen nötig. Bei der Beladung dieser Öfen kommen unter anderem Maschinenelemente von ACE zum Einsatz. Sie helfen dabei, Restrisiken zu vermeiden.

21. Februar 2019
Hervorragend geschützt
Beladungseinheit für die Fertigung von Wafern für die Produktion von Solarzellen. (Bild: Lisco GmbH)

Zum Kern des Leistungsportfolios von Lisco zählen Standard- und Sonderachsen sowie ganze Linearachsensysteme. Sie können zusätzlich mit Antrieb, Steuerung und Messprotokollen versehen werden. Das 2006 gegründete Unternehmen aus Bargteheide in Schleswig-Holstein setzt Strukturdämpfer von ACE Stoßdämpfer in vielen ihrer innovativen Konstruktionen als Sicherheitselemente ein. Das ist auch der Fall bei einer voll automatisierten, per Software gesteuerten Beladungseinheit für Öfen zur Produktion von Siliziumwafern, die das Unternehmen entwickelt hat.

Um die Gefahren in dieser Art der Produktion zu verstehen, muss zunächst ihr Hintergrund in der Photovoltaikbranche beleuchtet werden: Ihre Fertigung vollzieht sich meist im Reinraum. Das heißt, in den Produktionshallen sind keine Menschen anwesend. Ihnen obliegt jedoch nach wie vor der Steuerungsprozess. Dies gilt nicht nur in den Kontrollräumen vor Computern und sonstigen Bildschirmen, sondern auch in der Planung der Maschinen. Eine gelungene Konstruktion ist dabei nur eine, die bis zum Ende durchdacht ist. Dazu gehört in der heutigen Zeit nicht nur der Schutz vor zufälligen Störungen, zum Beispiel Stromausfällen, sondern auch vor intendierten Schäden, beispielsweise durch Cyberangriffe – in Zeiten erhöhter Wirtschaftskriminalität ein nicht zu unterschätzender Faktor. All dies ist bei der Beladungseinheit bedacht.

Um die Wafer in die Öfen zu transportieren und dort zu positionieren, hat Lisco hochwertige Spindel- wie auch Zahnriemenantriebe entwickelt und in einem weiteren Schritt einen Drehtisch integriert. Der Zahnriemenantrieb ist für das Vor- und Zurückbewegen der an ein Backblech erinnernden Zufuhr zu den Öfen zuständig. Er entwickelt bei einem maximalen Drehmoment an der Antriebswelle von 180 Newtonmetern (Nm) eine maximale Zahnriemenkraft von 2.100 Nm. Die Wiederholgenauigkeit beträgt 0,05 Millimeter und ist ein Argument, warum der Backvorgang automatisiert im Reinraum stattfindet. Eine solche Genauigkeit ist von Menschenhand nicht im Ansatz herzustellen. Der Spindelantrieb arbeitet beim Hoch- und Herunterfahren der Zufuhr sogar noch genauer. Seine Fehlertoleranz beträgt 0,03 Millimeter.

Mit drei unterschiedlichen Spindelsteigungen erhältlich, liegen die dynamischen Tragzahlen je nach Modell zwischen 19.540 und 30.360 Newton. Die statischen Tragzahlen befinden sich deutlich darüber. Aufgrund der Aufgabe zur Positionierung kommt ihnen aber in diesem Einsatzfall keine entscheidende Bedeutung zu.

Eine gute Alternative

Als weiteres Konstruktionselement ist der Drehtisch in der Mitte der Einheit wie eine schwebende Plattform angebracht. Er dient der zusätzlichen Positionsoptimierung. Dafür lässt er sich vom Kontrollraum in beliebigen Drehungen steuern. Um den Tisch und die über ihm liegende Konstruktion aus mit Blech versteiften Aluprofilen zu schützen, setzt Lisco Strukturdämpfer von ACE des Typs Tubus TR-97 ein. Diese dienen als reine Sicherheitselemente für den Fall, dass Kugelgewindemuttern defekt sind und die Einheit gegebenenfalls nach unten absacken kann. Sie stellen zudem einen Schutz gegen Schäden beim Steuern der Software dar.

Die aus Co-Polyester Elastomer gefertigten Strukturdämpfer sind im Vergleich mit Industriestoßdämpfern eine gute Alternative, wenn es, wie bei dieser Anwendung, nicht auf ein punktgenaues Abstoppen von bewegten Massen ankommt. Insgesamt umfasst allein diese Produktserie von ACE acht verschiedene Tubus-Bauarten mit insgesamt etwa 150 Standard-Einzellösungen für eine Vielzahl an Anwendungen.

Dabei ist es möglich, mittels der kompakten Bauteile annähernd lineare, degressive oder, wie in diesem Fall, progressive Kennlinien zu erzeugen. Die einzelnen Typen der hier zum Einsatz kommenden TR-Familie dämpfen radial, wobei diese Art der Beanspruchung eine lange, weiche Abbremsung mit einem progressiven Energieabbau am Hubende erzeugt.

Da die Beladungseinheit rund 600 Kilogramm wiegt, entschieden sich die Konstrukteure dazu, Vertreter der Sorte TR-HD auszuwählen, die sich sowohl durch massive Bauform als auch durch hohe Kraft- und Energieaufnahmen bei geringem Dämpfungsweg auszeichnen. Den Ausschlag gaben ihre geringe Bauhöhe mit Hüben von zwölf bis 44 Millimeter sowie die hohe Energieaufnahme von 405 bis 11.840 Nm. Auch wenn diese meist aufgrund ihrer Charakteristika in der Agrartechnik, im Schiffsbau oder Offshore, an Förderanlagen, an Schaufeln oder Knickgelenken von Baumaschinen sowie an Lade- und Hebevorrichtungen zum Einsatz kommen, verrichten nun auch einige Tubus vom Typ TR97–31HD ihren Dienst in der Fabrik für die Fertigung von Solarzellen.

Hintergrund

Backprozess der Wafer

Die Herstellung von Siliziumwafern besteht aus vielen Phasen. Zwei wichtige sind das schnelle thermische Tempern und das sogenannte Annealing.

Beim Tempern wird der Wafer zunächst auf mindestens 1.150 Grad Celsius erhitzt, um Kristallgitterlücken in den Oberflächen- und Hauptschichten zu bilden. Anschließend wird der Wafer auf weniger als 900 Grad Celsius abgekühlt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit weniger als fünf Grad Celsius pro Sekunde beträgt. So entsteht ein Wafer, der ein Gitterlückenkonzentrationsprofil aufweist, in dem die Maximaldichte bei oder nahe bei der zentralen Ebene liegt.

Während des Anneals werden wiederum intrinsische Kristalldefekte, sogenannte Crystal Originated Pits (COPs), bei über 1.000 Grad Celsius thermisch aufgelöst. Der Temperaturbereich liegt dabei 200 bis 300 Grad Celsius unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium.

Die wartungsfreien, einbaufertigen Dämpfer sind neben ihren flexiblen Dämpfungseigenschaften laut Hersteller anderen Lösungen auch hinsichtlich der Lebensdauer überlegen. Zusätzlich zur Standzeit von bis zu einer Million Lastwechseln heben sie sich von anderen Feststoff-Dämpfungselementen durch platzsparende Bauform und geringes Eigengewicht ab. Neben den Standardprodukten der einzelnen Tubus-Familien gibt es bei ACE noch eine Vielzahl an Spezialausführungen für kundenspezifische Einsatzfälle auf Anfrage. Egal, ob als Anschlagdämpfer in Robotersystemen, Hub-Begrenzer in Gabelstaplern, im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau oder in Fitnessgeräten eingesetzt, die Anwender profitieren laut Hersteller meist auch noch von Schallreduktionen gegenüber vergleichbaren Lösungen.

Dabei soll nicht verschwiegen werden, dass die Notstopper von ACE nicht von Anfang an in der Beladungseinheit ihren Dienst taten. Zunächst hatte der Kunde von Lisco auf selbst zugeschnittene Reifenprofile für diese Aufgabe zurückgegriffen, weil es während der Testfahrten zu einer Kollision von Baugruppen beim Herauf- und Herunterfahren der Einheit gekommen war. Diese verursachte nicht nur eine Schrecksekunde beim Bedienpersonal und den Programmierern der Steuerung, sondern führte auch dazu, dass man Lisco nach professionelleren Dämpfern fragte.

Das Konstruktionsteam von Lisco reagierte aufgrund vorheriger guter Erfahrung mit Dämpfungselementen von ACE sofort. Von den Vorzügen der Tubus wissend, wurden diese dann als zusätzliches Element beigesteuert. Weitere Tests und die Praxis bewiesen anschließend die Funktionstüchtigkeit der Dämpfer. Schäden an der Gesamtkonstruktion und Stillstandzeiten sind seitdem weitestgehend ausgeschlossen.

»Für uns hat Sicherheit absoluten Vorrang. Deshalb ist es für uns auch ein normaler Vorgang, bestehende Konstruktionen im Laufe eines Testvorgangs zu optimieren«, erläutert Marcel Schlünz, Betriebsleiter bei Lisco. »Wir orientieren uns dabei immer eng an den Bedürfnissen der Kunden und wollen es ihnen durch unsere Innovationskraft ermöglichen, die bestmögliche Lösung umzusetzen. Das ist ein Ziel, das auch ACE immer im Auge hat. Nicht zuletzt aus diesem Grund lief die Kooperation für alle Seiten zur vollsten Zufriedenheit.«

Erschienen in Ausgabe: 01/2019