Einzigartigkeit der hochpräzisen TwinSpin® Untersetzungsgetriebe in der Vakuumumgebung

Laut Mooreschem Gesetz sagt die empirische Regel, dass die Komplexität integrierter Schaltkreise (Anzahl der daran integrierten Transistoren) sich ungefähr jede zwei Jahre verdoppelt. (Quelle: Wikipedia).

In der Elektronikindustrie wird die Erhöhung der Dichte in den integrierten Schaltkreisen zusammen mit der Entwicklung des Reinheitsgrads der Produktionsumgebung durchgeführt. Die gegenwärtigen Reinraum-Klassifikationen („Clean Room“) von ISO 10 bis ISO 1 fahren bei niedrigen Luftdrücken, bis zum Vakuum fort.

Die Zukunft zeigt, dass die Vakuumumgebung für die Fertigung der elektronischen Einzelteile zur Unumgänglichkeit wird. Das Vakuum wird auch für Nanotechnologien, präzises Laserschweißen und für gesteuerte Schmelztechnologien notwendig sein. Viele neue Technologien brauchen eine Umgebung ohne jegliche Kontamination, ohne Feuchtigkeit und ohne Oxidationsprozess. Die Technologien können im Weltraum realisiert werden, damit der Gravitationseinfluss auf den Produktionsprozess eliminiert wird. Durch alle diese Trends wurde der Bedarf von präzisen Rotationsbewegungen mit der Anforderung an Maximum der Kompaktheit und Minimum des Gewichts und gleichzeitig zwei Engineering-Herausforderungen generiert.

Die erste Herausforderung ist Erzielung des Schmierens mit Elimination der flüssigen Komponenten. Flüssige Schmierkomponenten und Schmierstoffkühlung geraten in dem sehr niedrigen Druck in den Siedepunkt, nachfolgend verlieren sie sich im Vakuum, wodurch der Standardschmierstoff degradiert.

Die zweite Herausforderung besteht in einer effektiven Regulierung der inneren Wärmekumulation. Das Vakuum ist ein hervorragender Isolator; die Wärme wird nur durch die Strahlung freigesetzt, oder über den Wärmeübergang der Metallteile. Die durch den Wirkungsgrad – durch die Reibung – gebildeten Wärmequellen sollten von der Umgebung absorbiert werden. Im umgekehrten Falle würden sie in der Anlage bleiben. Sollten sie nicht beseitigt werden, käme es zur Überhitzung des Untersetzungsgetriebes und nachfolgend zur schlagartigen Erhöhung der Reibung unter Einfluss des Ausdehnungsvermögens, was im Endeffekt verursachen würde, dass die Rotationsbewegung  blockiert.

Und wie hat die Gesellschaft SPINEA® diese Herausforderungen gemeistert?

Durch die Gesellschaft wurde das Untersetzungsgetriebe mit einem Spezialschmierstoff in der Vakuumkammer des Weltraumforschungszentrums CBK in Polen getestet.

Der Schmierstoff des Unternehmens Nye Lubricant aus den USA, das sich mit der Entwicklung und Herstellung von Schmierstoffen beschäftigt, ist ein Lieferant für Weltraumindustrie und beschäftigt sich auch mit Schmierstoffen für spezielle Anwendungen.

Die derzeitige Reihe von von NyeTorr 5200 bis zu NyeTorr 6370EL beinhalten sehr niedrige Stufe der flüchtigen Komponenten mit Integration von PTFE (Teflon)-Material mit festen Partikeln, die für den Temperaturbereich von –60 °C bis +250 °C geeignet sind. Durch die genannten Schmierstoffe werden stabile Schmierparameter auch in der Vakuumumgebung gebildet.

„Das TwinSpin® Getriebe, das in einer Vakuumumgebung arbeitet, ist perfekt für Nye Torr Fertigungsserie der Vakuumschmiermittel geeignet, für lange Lebensdauer mit einer minimalen Abnutzung und für Beibehaltung einer hohen Laufgenauigkeit in Ultrahochvakuum-Umgebungen (UHV)“ sagte Bob Hoffman, regionaler technischer Leiter bei Nye Lubricant.   

Das Unternehmen SPINEA® hat in Kooperation mit dem Weltraumforschungszentrum in Polen (CBK PAN) eine Lösung erarbeitet, mit der in einer Anlage Tests im Vakuum und mit unterschiedlichen Temperatursensoren getätigt werden. Die partielle Temperatur in Echtzeit ist von dem Belastungszyklus abhängig, der konkret an der Testanlage gemessen wurde. Die Temperatursimulation wurde vorbereitet und mit der konkreten partiellen Temperatur in den einzelnen Komponenten der Anlage verglichen. Der limitierende Faktor war die Temperatur des TwinSpin® Untersetzungsgetriebes an der Oberfläche von 65 °C.

Der konkrete Belastungszyklus, der in der Vakuumkammer generiert wurde und der Vergleich mit der Simulation des gesamten Systems waren die Ergebnisse der Tests. Nachdem die Abweichungen zwischen der Simulation und den Tests minimal waren, kann festgestellt werden, dass das Vakuum eine Umgebung ist, in der das hochpräzise TwinSpin® Untersetzungsgetriebe genauso zuverlässig arbeitet wie in der Atmosphäre. Das Vakuum hat keinen negativen Einfluss auf die Genauigkeit der Positionierung und auch keinen Einfluss auf den Fehler der Winkelübertragung.

Die im Einzelnen erfolgreich getesteten Zyklen im Vakuum wurden um circa 50 % gegenüber den, in atmosphärischen Bedingungen getesteten Standardzyklen reduziert.

Die meisten Anwendungen in der gegenwärtigen Industrie haben für das Vakuum keine dynamischen Belastungen. Es geht z.B. um Positioniereinrichtungen während des Laserschweißens oder um die Handhabung und den Einbau von elektronischen Komponenten mit Hilfe von SCARA - Robotern. Die Vakuumanwendungen sind deshalb für SPINEA® eine große Herausforderung für die Zukunft. Die Ingenieure des Unternehmens sind technisch in der Lage, das TwinSpin® Untersetzungsgetriebe auch mit anderen, für die im Vakuum geeigneten Schmierstoffen, bzw. für eine Reinraumumgebung vorzubereiten. Durch die Temperatursimulation des Wärmeflusses in Positioniereinrichtungen oder Robotern ist SPINEA® prädestiniert, zu einem einzigartigen Partner in den Projekten für Entwicklung der Anlagen in der Vakuumumgebung zu werden.

Bei Fragen im Zusammenhang mit Schmierung im Vakuum wenden Sie sich bitte an: www.nuricants.com

Referenzen:

Das CBK PAN entwickelt einen Manipulator, der im Weltraum arbeitet. Das mechanische Herz jedes Manipulators ist ein Gelenk mit Getriebe. In diesem Bereich arbeiten wir mit der Firma Spinea zusammen, um die Anwendung von Zykloiden Getriebe in den Weltraummanipulatoren zu analysieren. Die Zusammenarbeit war erfolgreich, wir hatten eine gemeinsame Präsentation in den Abschlusstagen wegen der Präsentation der Mechanismen in ESTEC (ESA) vorbereitet, und wir hoffen auf künftige gemeinsame Aktivitäten.

Karol Seweryn, DSc, PhD, Eng

Dozent

Raumfahrt Mechatronik und Robotik Laboratorium

Zentrum für Weltraumforschung

Polnische Akademie der Wissenschaften (CBK PAN)