投稿者: Shinagawamotkyni

Was ist eine Messblende?

Eine Messblende ist eine dünne Metallplatte mit einem perforierten (gelochten) Verlauf.

Sie werden verwendet, um den Durchfluss und den Druck von Flüssigkeiten zu steuern, z. B. in Rohrleitungen. Messblenden werden im Allgemeinen auch als Blenden bezeichnet.

Anwendungen von Messblenden

Messblenden werden in einer Vielzahl von Situationen zur Durchfluss- und Druckregelung in industriellen und gewerblichen Rohrleitungen verwendet.

So werden Messblenden beispielsweise zur Messung des Flüssigkeitsdurchflusses in Rohrleitungen als Differenzdruck-Durchflussmesser verwendet. Die Flüssigkeit wird aus den Flanschen vor und nach der Messblende entnommen, und der Differenzdruck wird in eine Durchflussmenge umgewandelt und auf dem Anzeigegerät angezeigt.

Stoßdämpfer nutzen den hohen Druckabfall der Messblende aus. Je kleiner der Lochdurchmesser der Messblende ist, desto höher ist der Druckabfall der Flüssigkeit und desto größer ist die Dämpfungskraft des Stoßdämpfers. Umgekehrt führt ein größerer Lochdurchmesser zu einer geringeren Dämpfungskraft.

Funktionsweise von Messblenden

Zur kurzen Erläuterung des Messblendenprinzips sei gesagt, dass der Flüssigkeitsdruck hinter der Messblende geringer ist als vor der Messblende, basierend auf dem Satz von Bernoulli, da der Innendurchmesser der Messblendenöffnung kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohrs, in dem die Messblende installiert ist.

*Das Theorem von Bernoulli ist ein Gesetz zur Erhaltung der Energie in der Flüssigkeitsströmung.

Wenn ein Fluid durch ein kleines Loch in einer Messblende strömt, entsteht vor und hinter der Messblende in der Rohrleitung ein Druckunterschied. Dies ist auf das Bernoulli-Gesetz zurückzuführen, das besagt, dass die Druckenergie, die Geschwindigkeitsenergie und die potenzielle Energie in einem Rohr immer konstant sind.

Die Flüssigkeit hat unmittelbar nach dem Passieren der Messblende eine höhere Strömungsgeschwindigkeit, so dass die Geschwindigkeitsenergie zunimmt. Wenn die potenzielle Energie gleich bleibt, nimmt die Druckenergie um den gleichen Betrag ab, wie die Geschwindigkeitsenergie zunimmt. Durch Messung dieses Unterschieds als Druckdifferenz vor und nach der Messblende lässt sich die Durchflussmenge der Flüssigkeit berechnen.

Wenn eine Messblende zur Durchfluss- oder Druckregelung verwendet wird, kann der Durchfluss hinter der Blende anhand einer Gleichung bestimmt werden.

Arten von Messblenden

Es gibt vier Haupttypen von Messblenden: konzentrische Blende, Quadrantenblende, exzentrische Blende und elliptische Blende.

1. Konzentrische Blende

Wird in Durchflussmessern mit Blenden verwendet, z. B. in allgemeinen Differenzdruckmessgeräten.

2. Quadrantenblende

Wird verwendet, wenn der Durchfluss in der Rohrleitung gering und die Reynoldszahl klein ist. Die Reynoldszahl ist eine dimensionslose Zahl, die das Verhältnis von Trägheits- und Viskositätskräften angibt.

3. Exzentrische Blende

Sie wird verwendet, wenn die Flüssigkeit eine Aufschlämmung enthält (ein Gemisch aus festen Partikeln und Flüssigkeit). Die Blende wird an der Unterseite des Rohrs angebracht, um den Durchfluss des Schlamms zu erleichtern.

4. Elliptische Blende

Wird in gleicher Weise wie exzentrische Blenden verwendet.

Beim Einbau einer Blende in eine Rohrleitung wird die Blende zwischen Flansche geklemmt und als Baugruppe verwendet. Manchmal werden sie vormontiert in Produkten, wie z. B. Stoßdämpfern, verwendet.

Was ist ein Allrad?

Allräder sind Räder, die sich in jede Richtung bewegen können und aus einem rotierenden Hauptteil im Gehäuseteil und einem passiven rotierenden Teil aus Rollen bestehen, der sich am äußeren Kreis des Gehäuses befindet.

Sie werden in der Regel als ein Satz von drei oder vier Rädern verwendet. Im Vergleich zu Radkonfigurationen mit Reifen, bei denen Lenk- und andere Vorrichtungen wie in Automobilen zum Einsatz kommen, ist der Bewegungsmechanismus einfacher und eignet sich daher besser für eine Verkleinerung und Gewichtsreduzierung.

Anwendungen für Allräder

Allräder werden hauptsächlich als Bewegungsmechanismen für Roboter und Wagen eingesetzt. Da sie sich auf engem Raum bewegen können, werden sie häufig als unbemannte Transportroboter in Fabriken und Lagern sowie als Rollstühle in Innenräumen wie Krankenhäusern eingesetzt.

Zu den Allrädern als unbemannte Transportroboter gehören auch Roboter mit einer mit Sensoren ausgestatteten Personenverfolgungsfunktion. Da sie mit Arbeitsgeräten bewegt werden können, können sie sowohl als Rollwagen als auch als Arbeitsplattform eingesetzt werden.

Allrad-Prinzip

Ein Allrad ist ein Rad, das die Antriebskraft eines Motors in vertikaler Richtung überträgt und sich in horizontaler Richtung durch einen freien Mechanismus ohne eigene Antriebskraft dreht. Das Drehen und die parallele Bewegung in alle Richtungen wird durch die Anpassung der Drehzahlregelung jedes Motors an die Bodenhaftung des Omni-Rades ermöglicht.

Sie werden gewöhnlich in Sätzen von drei oder vier Rädern verwendet. Die Merkmale der einzelnen Räder sind nachstehend aufgeführt:

1. Drei-Rad-Konfiguration

Im Vergleich zu einer vierrädrigen Konfiguration hat eine dreirädrige Konfiguration den Vorteil, dass sie ein Antriebssystem weniger hat, was bedeutet, dass sie kleiner und leichter sein kann. Allerdings ist der Betrag der Bewegung in jede Richtung die kombinierte Kraft der Vektoren, so dass sich je nach Straßenbelag die Geradlinigkeit des Fahrzeugs verschlechtern kann.

2. Vier-Rad-Konfiguration

Bei einer Vierradkonfiguration ist die Bewegung in den Richtungen vorne-hinten und links-rechts die gleiche wie bei einem Fahrzeug mit normalen Reifen, so dass ein hohes Maß an Geradheit zu erwarten ist. Da das Antriebssystem jedoch ein Antriebssystem mehr hat als bei der Dreiradkonfiguration, ist das Gerät als Ganzes größer und schwerer, was ein Nachteil ist.

Funktionsweise von Allrädern

Vorteile

• Kann auf der Stelle drehen und sich parallel in alle Richtungen bewegen.
• Das Antriebssystem kann als ein Rad mit mindestens drei Rädern konfiguriert werden, was den Bewegungsmechanismus im Vergleich zu Vierradantrieben vereinfacht und ihn kleiner und leichter macht.
• Es erzeugt weniger Vibrationen während des Betriebs.

Insbesondere bei mobilen Robotern gibt es einen großen Unterschied: zweirädrige Roboter bewegen sich grundsätzlich immer vorwärts, wobei sie die Bewegungsrichtung in Richtung des Ziels ändern, während sich Allrad-Roboter immer parallel zum Ziel in einer festen Richtung bewegen.

Das bedeutet, dass das Allrad das Verfahren des Bewegens nach dem Richtungswechsel bei der Bewegung eliminiert, was ein großer Vorteil der schnellen Bewegung auf kürzestem Weg ist.

Weil das Allrad einen so großen Vorteil bei der schnellen Bewegung hat, sind viele Roboter für Roboterwettbewerbe, bei denen die Zeit zum Erreichen des Ziels usw. konkurriert wird, mit einem Bewegungsmechanismus unter Verwendung des Allrads ausgestattet.

Für Allräder gibt es keine feste Bauteilstruktur und die Anzahl und der Winkel der in den passiven Drehteilen angeordneten Rollen sowie die verwendeten Materialien können variieren. Jedes Allrad hat seine eigene spezielle Umgebung, Anwendung und Belastbarkeit, so dass es notwendig ist, das richtige für den beabsichtigten Einsatz zu wählen.

Nachteile

Allräder haben den Nachteil, dass sie anfällig für Stöße und den Einsatz im Freien sind. Dies ist auf das Funktionsprinzip der Allräder zurückzuführen und beide Bedingungen werden durch das Problem der unzureichenden Bodenhaftung verursacht.

Weitere Informationen zu Allrädern

1. Steuerung von Allrad-Robotern

Beim vierrädrigen Typ sind vier Allräder im Abstand von 90° zur Maschinenplattform montiert. An jedem Allrad ist ein Motor angebracht und die Geschwindigkeit und die Fahrtrichtung der Plattform werden durch unabhängige Befehle an die Motoren bestimmt.

Soll sich die Plattform beispielsweise geradeaus in X-Richtung bewegen, muss sie so gesteuert werden, dass die Summe der Geschwindigkeitsvektoren jedes Allrades in Y-Richtung gleich Null ist.

2. Vorsichtsmaßnahmen bei der Steuerung

Bei der Steuerung ist zu beachten, dass die Reifen bei unzureichender Bodenhaftung durchrutschen. Wenn auch nur eines der Allräder im Leerlauf ist, weicht die Summe der Geschwindigkeitsvektoren der Allräder vom erwarteten Wert ab. Es ist ein Mechanismus erforderlich, um die Befehle an den Motor jedes Mal zu korrigieren, zum Beispiel durch eine Rückkopplungssteuerung.

Unter Rückkopplungsregelung versteht man eine Regelung, bei der die Regelgröße, also der Ausgang, auf den Eingangswert zurückgeführt und der Eingangswert so korrigiert wird, dass die Differenz zwischen Ausgang und Eingang gleich Null ist. Die Regelung ist in der Lage, auch bei Störungen wie z. B. Leerlauf Korrekturen vorzunehmen.

Was ist ein Ozon-Generator?

Ein Ozon-Generator ist ein Gerät, das die desodorierende Wirkung von Ozon nutzt, um Gerüche aus einem Raum zu entfernen.

Ozon hat eine sehr starke Oxidationskraft, und wenn sich Bakterien oder geruchsverursachende Stoffe in der Nähe befinden, werden sie sofort oxidiert und zersetzt. Luftreiniger sind ebenfalls als Luftreinigungsgeräte erhältlich, unterscheiden sich aber in ihrer Wirkungsweise.

Luftreiniger verwenden Filter und Aktivkohle, um Schwebstoffe und Gerüche aus der Luft zu entfernen, so dass sie nur gegen Schwebstoffe in der Nähe wirksam sind. Ozon-Generatoren hingegen bauen Gerüche nicht nur an der Quelle ab, sondern wirken auch gegen Bakterien und Viren, die sich an Schreibtischen und Türen festsetzen.

Anwendungen von Ozon-Generatoren

Ozon-Generatoren werden in allen möglichen Bereichen eingesetzt, z. B. in Krankenhäusern, Altenpflegeeinrichtungen, Restaurants und Fabriken. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht nur zur Desodorierung, sondern auch zur Beseitigung von Bakterien und Viren eingesetzt werden.

Funktionsweise von Ozon-Generatoren

Ozon-Generatoren nutzen die dem Ozon eigene starke Oxidationskraft, um Gerüche, Bakterien und Viren abzubauen. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen und ist eine Substanz, die sich in einem sehr instabilen Zustand befindet.

Da die Substanz die Eigenschaft hat, immer in einen stabilen Zustand überzugehen, gibt sie ein Sauerstoffatom des Ozons ab und versucht, zu Sauerstoff zu werden. Ohne einen Stoff, der das Sauerstoffatom weitergibt, ist der Übergang in den stabilen Zustand jedoch nicht möglich. Bei den Stoffen, die den Sauerstoff weitergeben, handelt es sich um Bakterien und geruchsverursachende Stoffe.

Diese Stoffe nehmen die Sauerstoffatome auf und das Ozon wird in Sauerstoffmoleküle umgewandelt. Bei diesem Prozess werden die Bakterien und Geruchsstoffe oxidiert und zersetzt. Obwohl Ozon in hohen Konzentrationen schädlich für den menschlichen Körper ist, kann es bei entsprechender Konzentrationskontrolle recht sicher betrieben werden. Da sich die am besten geeigneten Ozon-Generatoren jedoch je nach Anwendung unterscheiden, müssen die technischen Daten stets überprüft werden.

Ozon kann durch stille Entladung, Elektrolyse oder mit Ultraviolettlampen erzeugt werden, wobei die Methode der stillen Entladung in der Industrie weit verbreitet ist.

Aufbau von Ozon-Generatoren

Die meisten Ozon-Generatoren arbeiten nach dem Prinzip der stillen Entladung, d. h. sie bestehen aus einer Elektrode, an die eine Hochspannungs-Wechselspannung angelegt wird, und einem dazwischen liegenden Glasdielektrikum.

Die stille Entladung ist ein Entladungsphänomen, das auftritt, wenn ein Dielektrikum zwischen parallelen Elektroden angeordnet ist und eine hohe Wechselspannung zwischen den Elektroden angelegt wird. Bei einer stillen Entladung werden Elektronen in das Gas freigesetzt und wenn die freigesetzten Elektronen mit einem Sauerstoffmolekül (O2) zusammenstoßen, dissoziieren sie in ein Sauerstoffatom (2O). Wenn sich ein dissoziiertes Sauerstoffatom (O) mit einem Sauerstoffmolekül (O2) verbindet, entsteht Ozon (O3). Die chemische Formel für dieses Prinzip sind die beiden folgenden Gleichungen:

• O2 + e → 2O + e
• O + O2 + M → O3 + M

Arten von Ozon-Generatoren

Ozon-Generatoren gibt es in kleinen Ausführungen für die Desodorierung von Autoinnenräumen und Privaträumen, in mittleren Ausführungen für die Desodorierung bestimmter Räume, in tragbaren Ausführungen für den Einsatz zu bestimmten Zeiten und in zentralen Ausführungen für die gleichzeitige Desodorierung mehrerer Räume, beispielsweise ganzer Gebäude.

Weitere Informationen zu Ozon-Generatoren

Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung

Die beiden folgenden Punkte sind zu beachten, da eine falsche Anwendung zu unerwarteten Problemen führen kann:

1. Korrosionsgefahr durch hochkonzentriertes Ozon
Da Ozon ein starkes Oxidationsvermögen besitzt, besteht die Gefahr, dass Gummi, Harze und andere Materialien in einer hochkonzentrierten Ozonumgebung korrodieren. Bei Ozon-Generatoren, die für den Einsatz unter bemannten Bedingungen vorgesehen sind, besteht jedoch keine Korrosionsgefahr, da die Konzentration nicht hoch genug ist, um Materialien anzugreifen.

2. Eigenartiger Geruch von Ozon
Da Ozon selbst einen eigenartigen Geruch hat, muss es entsprechend der Umgebung, in der es verwendet wird, belüftet werden. Ozongeräte, die zur Verwendung unter unbeaufsichtigten Bedingungen bestimmt sind, erzeugen hochkonzentriertes Ozon, das für den menschlichen Körper schädlich ist. Daher muss das geeignete Ozongerät je nach Verwendungszweck ausgewählt werden.

Was ist ein Ozon-Messgerät?

Ein Ozon-Messgerät ist ein Messgerät zur Bestimmung der Ozonkonzentration in Luft und Flüssigkeiten.

Sie werden eingesetzt, um die Ozonkonzentration in Gasen und Flüssigkeiten auf ein für den Verwendungszweck angemessenes Niveau zu kontrollieren oder um Unfälle zu verhindern, die durch Ozonemissionen und deren Auswirkungen auf Mensch und Umwelt verursacht werden.

Ozon-Messgeräte gibt es in verschiedenen Messverfahren, darunter Ultraviolettabsorption, Halbleiter-Dünnschicht, Konstantpotential-Elektrolyse und Detektorröhrenverfahren. Die Installations- und Wartungskosten variieren je nach Messmethode. Bei der Auswahl sollten der Verwendungszweck, der Arbeitsbereich, die Arbeitsumgebung, die Größe, das Zubehör und die Verbrauchsmaterialien berücksichtigt werden.

Anwendungen von Ozon-Messgeräten

Ozon-Messgeräte werden zur Installation von Ozon-Generatoren und zur ordnungsgemäßen Kontrolle der Ozonkonzentration in ozongefährdeten Umgebungen eingesetzt. Ozon ist ein nützlicher Stoff in verschiedenen Industriezweigen, z. B. in der Abwasser- und Wasseraufbereitung, in der medizinischen Industrie, bei der Sterilisierung und Desodorierung von Lebensmitteln und in der Lagerhaltung.

In hohen Konzentrationen kann es jedoch nachteilige Auswirkungen auf den menschlichen Körper und die Umwelt haben. 

Ozon wird auch durch ultraviolette Strahlen und elektrische Entladungen in der Luft erzeugt. Ozon-Messgeräte werden daher nicht nur in der Nähe von Ozonerzeugern eingesetzt, sondern auch an Orten, an denen Ozon in der Arbeitsumgebung auftreten kann.

Funktionsweise von Ozon-Messgeräten

Es gibt mehrere Methoden von Ozon-Messgeräten mit unterschiedlichen Funktionsweisen. Die meisten Messmethoden nutzen jedoch die Oxidationsreaktion von Ozon.

Es ist zu beachten, dass Ozon sehr instabil ist und bei allen Messmethoden dazu neigt, abzunehmen, da es sich während der Messung von Ozon (03) in Sauerstoff (02) umwandelt.

Arten von Ozon-Messgeräten

Es gibt verschiedene Arten von Ozon-Messgeräten, die sich nach dem Messprinzip richten. In diesem Abschnitt werden die UV-Absorptionsmethode, die Halbleiter-Dünnschichtmethode, die Konstantpotential-Elektrolyse-Methode und die Detektorrohrmethode beschrieben.

1. Ultraviolett-Absorptionsmethode

Bei der UV-Absorptionsmethode wird die Tatsache ausgenutzt, dass Ozon ultraviolette Strahlung der Wellenlänge 254 nm stark absorbiert. Da die UV-Strahlung bei 254 nm nur von Ozonmolekülen absorbiert wird, kann die Ozonkonzentration anhand der absorbierten UV-Strahlung gemessen werden.

Die UV-Absorptionsmethode kann auch zur Messung der Ozonkonzentration in flüssiger und gasförmiger Phase verwendet werden. Dabei ist zu beachten, dass das Vorhandensein von anderen Gasen im Gemisch den Messwert beeinflussen kann. Die UV-Absorptionsmethode eignet sich für kontinuierliche Messungen und ist für Experimente sehr praktisch, aber auch sehr teuer.

2. Halbleiter-Dünnschicht-Methode

Bei dieser Methode wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich Ozonmoleküle an Halbleiter binden und die Zersetzungsrate der Halbleiter aufgrund der Oxidationskraft des Ozons verändern, wenn Ozon mit der Oberfläche eines dünnen Halbleiterfilms in Kontakt kommt. Der Halbleiter vor der Zersetzung und die Zersetzungsrate werden zur Messung der Ozonkonzentration verwendet. Die Halbleiter-Dünnschichtmethode ist eine Messmethode mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität.

3. Konstantpotential-Elektrolyse-Methode

Die Konstantpotential-Elektrolyse-Methode ist eine Methode zur Messung der Konzentration anhand der Stromstärke, die bei der Elektrolyse von Ozongas an Elektroden mit konstantem Potential erzeugt wird. Da die durch die Elektrolyse erzeugte Strommenge je nach Gasart variiert, wird der Messwert auch durch die Beimischung anderer Gase weniger beeinflusst.

Die Methode der Konstantpotentialelektrolyse ist äußerst empfindlich und ermöglicht quantitative Messungen auch in Bereichen mit geringer Konzentration, so dass die Ozonkonzentration mit hoher Genauigkeit und zu relativ geringen Kosten gemessen werden kann.

4. Detektorrohrmethode

Bei der Detektorröhrenmethode wird die Konzentration anhand der Länge der Verfärbung einer in einer Glasröhre verpackten Probe gemessen. Das Glasröhrchen wird mit Schichten verschiedener Proben, wie z. B. Indigofarbstoff, gefüllt und die Probe wird fixiert und versiegelt.

Bei der Messung wird das Glasrohr an beiden Enden gebrochen, ein Ende in das zu untersuchende Gas gelegt und das andere Ende an eine kleine manuelle Pumpe, den so genannten Gasdetektor, angeschlossen, der eine feste Gasmenge (in der Regel 100 cm³) mit konstanter Geschwindigkeit durch das Glasrohr in die Pumpe saugt. Während das Ozon einströmt, verändert die Probe ihre Farbe, und die Ozonkonzentration kann anhand der Dauer der Farbveränderung gemessen werden. Diese Methode ist relativ kostengünstig, einfach zu testen und kann relativ niedrige Konzentrationen messen.

Was ist eine Schaftfräser-Schleifmaschine?

Schaftfräser-Schleifmaschinen sind Geräte, die Werkzeuge, sogenannte Schaftfräser, schleifen und wiederverwenden.

Schaftfräser sind Schneidwerkzeuge für die Bearbeitung von Produkten und können für eine Vielzahl von Verfahren wie Bohren und Planbearbeitung eingesetzt werden. Die äußere Form besteht aus einer Spirale mit mehreren Schneiden.

Die Anzahl der Schneiden liegt in der Regel zwischen zwei und vier, aber es gibt auch eine Vielzahl von Werkzeugen mit mehr Schneiden als diese. Die in der Praxis gebräuchlichen Schaftfräser sind:

• Flache Schaftfräser
• Kugelkopffräser
• Schaftfräser mit Wippe
• Radius-Schaftfräser

Anwendungen von Schleifmaschinen für Schaftfräser

Schaftfräser-Schleifmaschinen werden unter anderem zum Schleifen von Massenfräsern und zum Schleifen von wiederverwendbaren Schaftfräsern eingesetzt. Es können auch Schaftfräser mit unterschiedlichen Formen geschliffen werden und es gibt Schleifmaschinen für eine Vielzahl von Messergeometrien.

Schaftfräser-Schleifmaschinen können das Schleifen von Schaftfräsern rationalisieren. Auf ihnen eingesetzte Schaftfräser können unter Rotation geschliffen werden, was ein hochpräzises Schleifen der Schneidkanten ermöglicht. Schaftfräser-Schleifmaschinen werden häufig in Fabriken und Werkstätten eingesetzt und es gibt auch automatisierte Schleifmaschinen für Schaftfräser.

Schaftfräser-Schleifmaschinen sind nicht auf das Schleifen von Schneidkanten beschränkt, sondern können auch Seiten- und Umfangskanten schleifen. Beim Schleifen von Umfangskanten muss jedoch die Schleifmenge mit Rücksicht auf die Schnittgenauigkeit und die Schneidstärke begrenzt werden.

Funktionsweise von Schaftfräser-Schleifmaschinen

Die Funktionsweise einer Schaftfräser-Schleifmaschine besteht im Schleifen durch Schleifen mit einer Schleifscheibe. Der Schaftfräser ist so montiert, dass er senkrecht zur Schleifscheibe steht, so dass der Schaftfräser bei Rotation schleifen kann.

Bei Schaftfräser-Schleifmaschinen wird die Schleifscheibe automatisch von einer speziellen Schleifeinheit bewegt. Sie können mit einer Funktion ausgestattet sein, mit der der Umfang und der Winkel der Schleifscheibe an die Form der Schneide des Schaftfräsers angepasst werden kann sowie mit einem Kühlsystem, das die beim Schleifen entstehende Wärme abkühlt.

Schaftfräser-Schleifmaschinen müssen regelmäßig gewartet werden, da die Schleifscheibe durch den Schleifvorgang abgenutzt wird. Bei der Wartung werden Schaftfräser-Schleifmaschinen durch Auswechseln der Schleifscheiben und Einstellen der Schleifvorrichtung gewartet.

Arten von Schaftfräser-Schleifmaschinen

Es gibt vier Arten von Schaftfräser-Schleifmaschinen: Flach-, Kugelkopf-, Wipp- und Radiusfräser.

Jeder dieser Typen hat eine andere Geometrie und erfordert eine spezielle Schleifmaschine für Schaftfräser. Im Allgemeinen können mit den Zusatzgeräten für multifunktionale Schleifmaschinen für Schaftfräser auch verschiedene Arten von Schaftfräsern geschliffen werden.

1. Flachfräser

Dies sind Schaftfräser mit einer flachen Schneidfläche (Walzenstirnfräser). Sie werden hauptsächlich für die Bearbeitung von ebenen Flächen und Nuten eingesetzt. Die Schleifmethode besteht darin, die Schneide anzufasen, um die Schärfe wiederherzustellen.

Der Schleifwinkel wird etwas kleiner eingestellt als der Winkel, der bei der normalen Bearbeitung verwendet wird. Ist der Anfasungswinkel zu groß, wird die Schneide abgerundet und die Bearbeitungsgenauigkeit verringert sich.

2. Kugelkopffräser

Kugelkopffräser sind Schaftfräser mit einer kugelförmigen Schneidfläche. Sie werden hauptsächlich für die Bearbeitung gekrümmter Oberflächen eingesetzt. Das Schleifverfahren besteht darin, die Schneide abzurunden, um eine kugelförmige Oberfläche zu erhalten.

Die Schleifwinkel, wie z. B. Schnittwinkel, Radiuswinkel und Schnittbreite, sind komplex und erfordern fortschrittliche Techniken. Für das Schleifen von Kugelkopffräsern sind spezielle Schleifvorrichtungen erforderlich.

3. Wipp-Schaftfräser

Wippfräser sind Schaftfräser zum Schruppen und zeichnen sich durch dickere Schneiden als normale Schaftfräser aus. Sie werden hauptsächlich für die Bearbeitung von Nuten eingesetzt.

Die Schleifmethode besteht darin, die Schneide anzufasen und die Seitenschneiden zu schleifen. Der Schleifwinkel der Seitenschneiden sollte im Verhältnis zur Schnitttiefe eingestellt werden.

4. Radius-Schaftfräser

Radiusfräser sind Schaftfräser mit einer gekrümmten Schneidfläche. Sie werden hauptsächlich für die Bearbeitung gekrümmter Oberflächen eingesetzt. Das Schleifverfahren besteht darin, die Schneide zu verrunden, um eine gekrümmte Oberfläche zu erhalten.

Wie bei Kugelfräsern sind die Schleifwinkel komplex und erfordern ein hohes Maß an Geschicklichkeit. Zum Schleifen von Radiusfräsern werden spezielle Schleifgeräte verwendet.

Was ist ein Elastomer?

Elastomer ist ein Oberbegriff für eine Polymerverbindung mit Elastizität. Es gibt zwei Arten: thermoplastische Elastomere und duroplastische Elastomere, die je nach Anwendung unterschiedlich eingesetzt werden.

Thermoplastische Elastomere haben die Eigenschaft, bei Erwärmung flüssig zu werden, wodurch sie sich leicht mit Spritzgussmaschinen verarbeiten lassen. Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. für Schreibwaren, Hygieneartikel und Automobilteile.

Duroplastische Elastomere verformen sich bei Erwärmung nicht wesentlich, so dass sie dort eingesetzt werden, wo Hitzebeständigkeit erforderlich ist. Typische Anwendungsbeispiele sind Verpackungs- und Dichtungsmaterialien.

Anwendungen von Elastomeren

Thermoplastische Elastomere werden bei Erwärmung flüssig und lassen sich daher leicht verarbeiten und formen. Spritzgießmaschinen für Kunststoffe können zur Herstellung von Teilen in einer Vielzahl von Formen verwendet werden. Sie werden vor allem für Rohre, Schläuche und Griffe verwendet.

Duroplastische Elastomere werden bei Erwärmung nicht plastisch und können daher dort eingesetzt werden, wo Hitzebeständigkeit erforderlich ist. Sie werden insbesondere in Dichtungen, Dichtungsringen und Öldichtungen verwendet.

Funktionsweise der Elastomere

Elastomer ist ein Oberbegriff für ein elastisches Polymer, der sich aus den Worten elastisch und Polymer zusammensetzt. Elastomere werden unterteilt in thermoplastische Elastomere (Thermoplastische Elastomere, abgekürzt TPE), die bei Erwärmung erweichen, und duroplastische Elastomere (Thermosetting-Elastomere, abgekürzt TSE), die bei Erwärmung aushärten.

TPEs bestehen grundsätzlich aus weichen und harten Segmenten. Ersteres ist für die Elastizität verantwortlich, letzteres für die Vernetzung. Wird dem Molekül durch Erhitzen Energie zugeführt, wird der vernetzende Teil weniger aktiv und das gesamte Molekül wird flüssig. Zu den TPE-Typen gehören Olefin- (Alken-), Urethan-, Ester-, Styrol- und Amid-TPE, die sich in ihrer Molekularstruktur und ihrer Synthesemethode unterscheiden.

Zu den TSE gehören Silikonkautschuk, Fluorkautschuk und Urethan-Kautschuk. Diese Polymere werden gemeinhin als Kautschuk bezeichnet. TSE weisen eine bessere Wärme- und Chemikalienbeständigkeit auf als TPE, sind aber in Bezug auf die Verarbeitungsfreundlichkeit den TPE unterlegen.

Weitere Informationen zu Elastomeren

Dielektrische und magnetische Elastomere

Dielektrische Elastomere gehören zu den Elastomeren, die in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben. Dielektrische Elastomere sind Elastomere, die, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, große Dehnungen von mehreren hundert Prozent erzeugen. Das bedeutet, dass sie nach dem Maxwell’schen Gesetz als Aktoren eingesetzt werden können, die elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandeln.

Als dielektrische Elastomere werden Materialien auf Acryl- oder Silikonbasis verwendet. Der Grund dafür ist, dass das Material eine hohe Dielektrizitätskonstante haben muss und so weich sein muss, dass es bei Belastung nicht reißt. Ein dielektrisches Elastomer ist also ein Kondensator, der aus einem Polymermaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante besteht, das zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Diese Eigenschaft wird für Anwendungen in der Medizin, z. B. für künstliche Muskeln und für den Einsatz in verschiedenen Robotern als hocheffiziente Aktoren in Betracht gezogen.

Auch die Erforschung und Entwicklung von magnetischen Elastomeren mit Viskoelastizität als weitere neue Vorrichtung ist aktiv. Neue Bauteile, die die Viskoelastizität von Elastomeren mit der Funktionalität magnetischer Werkstoffe kombinieren, können durch die Mischung von Neodym- oder Eisenpulver mit polymeren Werkstoffen realisiert werden. Diese Bauteile haben eine ausgezeichnete Vibrationsfestigkeit und werden daher voraussichtlich in mechanischen Aktuatoren und in Sensoren für die Sitzkontrolle in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Darüber hinaus werden auf der Grundlage des Faraday’schen Gesetzes der elektromagnetischen Induktion Vorrichtungen erforscht und entwickelt, die kinetische Energie wie z. B. Vibrationen in elektrische Energie umwandeln, darunter die bereits erwähnten dielektrischen Elastomere. Diese finden im Rahmen von Umweltschutzinitiativen wie den jüngsten SDGs Beachtung und werden für Anwendungen in der nahen Zukunft in Betracht gezogen, wie z. B. die Stromerzeugung durch die Anbringung von Elastomeren an den Sohlen von Sportschuhen und Kleidung, um Strom für die Sensorkommunikation zu liefern.

Was ist eine Dispersionsfarbe?

Dispersionsfarben sind Farben, bei denen die Nachteile herkömmlicher Öl- und Wasserfarben durch die Emulsionstechnik verbessert werden.

Sie sind nicht brennbar und ermöglichen eine einfache Einstellung der Viskosität und das Mischen von Zusatzstoffen. Bei der Emulgierung werden Flüssigkeiten, die sich nicht miteinander vermischen, also Komponenten auf Öl- und Wasserbasis, gemischt, indem die eine in feine Partikel zerlegt und diese dann in der anderen dispergiert werden, um einen Mischzustand herzustellen.

Die Emulsionstechnologie wurde erstmals 1927 in den USA eingesetzt, als synthetischer Kautschuk erfolgreich aus Butadien-Emulgator-Dispersionen hergestellt wurde. 

Anwendungen von Dispersionsfarben

60 % der Dispersionsfarben werden in der Architektur eingesetzt. Der Grund dafür ist, dass sie im Vergleich zu Farben auf Ölbasis weniger flüchtige organische Verbindungen enthalten und zur Vermeidung des Sick-Building-Syndroms beitragen. Dispersionsfarben auf Wasserbasis lassen sich problemlos mit Wasser verdünnen, die Viskosität kann mit Verdickungsmitteln leicht eingestellt werden und sie lassen sich hervorragend spritzen. Sie lassen sich selbst auf stark hygroskopischen Untergründen wie Mörtel leicht auftragen und Pigmente und Additive können einfach gemischt werden.

Duroplastische Acrylemulsionen werden für Metallbeschichtungen verwendet. Sie werden nach dem Lackieren eingebrannt, wodurch eine Vernetzungsreaktion ausgelöst wird, die die Härte, die Haftung und die Beständigkeit gegen Wasser und Lösungsmittel verbessert.

Unter rauen Bedingungen werden manchmal wärmehärtende Acrylemulsionen für Metallbeschichtungen verwendet, z. B. Acrylate mit ausgezeichneter Wetter-, Wasser- und Alkalibeständigkeit. Das Einbrennen erfolgt nach dem Anstrich, um eine Vernetzungsreaktion herbeizuführen, die die Härte, die Haftung und die Beständigkeit gegen Wasser und Lösungsmittel verbessert.

Funktionsweise der Dispersionsfarben

Zunächst werden die in Wasser dispergierten Emulsionspartikel durch den Anstrich in enge Nähe zueinander gebracht und dicht aneinander gepackt. Wenn das Wasser verdunstet, wird die Schutzschicht auf den Partikeloberflächen zerstört und die Vernetzung auf den freiliegenden Polymeroberflächen schreitet voran, was allmählich zur Adhäsion führt. Die aneinander haftenden Teilchen bilden einen gleichmäßigen Film, der zu einer pigmentgefüllten Beschichtung wird.

Liegt die Trocknungstemperatur unter der Mindestfilmbildungstemperatur, werden die Teilchen nicht verformt und haften nicht, was zu einem Pulver mit unzureichender Festigkeit führt. Daher werden Hilfsmittel hinzugefügt, um die Reaktion zu erleichtern.

Da viele Emulsionen nach dem Gefrieren irreversibel sind, werden sie durch den Zusatz von Ethylenglykol als Gefrierstabilisator oder durch Copolymerisation hydrophiler Monomere stabilisiert. Auch Dispergiermittel, Verdickungsmittel, Stabilisatoren und Antipilzmittel werden je nach Bedarf zugesetzt, um die Qualität der Farbe während der Lagerung zu stabilisieren.

Die mechanische Festigkeit ist nach einer gewissen Zeit oft höher als unmittelbar nach der Filmbildung, da die Polymerdiffusion nach der Filmbildung weitergeht.

Arten von Dispersionsfarben

Dispersionsfarben lassen sich je nach verwendetem Lösemittel grob in Öl- und Wasserfarben unterteilen. Bei Farben auf Ölbasis werden organische Lösungsmittel verwendet, während bei Farben auf Wasserbasis Wasser als Lösungsmittel eingesetzt wird.

Dispersionsfarben können ebenfalls auf Lösungsmittel- oder Wasserbasis hergestellt werden. Farben, bei denen Wasserpartikel in einem ölbasierten Lösungsmittel schwimmen, werden als lösungsmittelbasierte Farben bezeichnet, während Farben mit ölbasierten Partikelbestandteilen in einer Wasserlösung als wasserbasierte Farben bezeichnet werden.

Organische Lösungsmittel, die in Ölfarben verwendet werden, können für die Umwelt und die menschliche Gesundheit schädlich sein und die Hersteller haben sich auf die Verbesserung von Wasserfarben konzentriert, indem sie Tenside entwickelt haben, also Stoffe, die sie im emulgierten Zustand stabilisieren. Infolgedessen wurden Dispersionsfarben entwickelt, in denen Pigmente auf Ölbasis dispergiert sind, und heute sind Dispersionsfarben auf Wasserbasis der Mainstream.

Auswahl von Dispersionsfarben

Die wichtigste Eigenschaft von Dispersionsfarben ist die Aushärtung. Die Aushärtung ist der Prozess, bei dem das Wasser in der aufgetragenen Farbe mit der Zeit verdunstet und einen harten Anstrichfilm bildet. Je nach Art der Aushärtung und der Festigkeit des Anstrichfilms kann man zwischen Schmelzhärtung und Reaktionshärtung auf Wasserbasis unterscheiden.

Bei der Schmelzhärtung kommen dispergierte Partikel zusammen, verschmelzen und härten durch die Verdunstung von Wasser oder Öl aus. Da die Partikel selbst nur miteinander verschmolzen sind, ist die Haftung des Beschichtungsfilms relativ schwach.

Bei der Reaktionshärtung auf Wasserbasis hingegen verkleben die Partikel und der mit den Partikeln vorab vermischte Reaktant, wenn das Wasser oder Öl verdunstet. Dies wird als Vernetzungsreaktion bezeichnet. Die durch die Vernetzungsreaktion hervorgerufene Aushärtung lässt die dreidimensionale Struktur zwischen den Partikeln verschmelzen, was zu einem festeren Farbfilm führt. Reaktionshärtende Dispersionsfarben auf Wasserbasis, die ein Reaktionsmittel enthalten, werden empfohlen, wenn eine lange Haltbarkeit der Farbe erforderlich ist.

Weitere Informationen zu Dispersionsfarben

1. Eigenschaften von Dispersionsfarben

Dispersionsfarben haben eine geringe Auswirkung auf den menschlichen Körper. Nach dem Auftragen von Ölfarben verdampfen die Lösemittelbestandteile und der Farbfilm härtet aus. Wenn sie eingeatmet werden, kann es zu Übelkeit und sogar zu Bewusstlosigkeit kommen. Die geringe Menge an Lösemittelbestandteilen, die nach dem Trocknen zurückbleibt, kann auch zu gesundheitlichen Problemen wie dem Sick-Building-Syndrom führen, während Dispersionsfarben keine negativen Auswirkungen auf die Gesundheit haben, da nur Wasser verdunstet.

Allerdings ist die Haftung des Farbfilms im Vergleich zu Farben auf Ölbasis schlecht. Da die Farbe in Wasser suspendiert ist, ist sie hydrophiler als Ölfarben und hat den Nachteil, dass die Farbe in Bereichen, in denen sie Regenwasser ausgesetzt ist, wie z. B. an Außenwänden, zum Abblättern neigt. Um diesen Nachteil auszugleichen, muss man sich etwas einfallen lassen, z. B. indem man mehrere Farbschichten aufträgt.

2. Qualität der Farbe

Die Anstrichsorten unterscheiden sich je nach Haltbarkeit. Acryl-, Urethan-, Silikon- und Fluorfarben sind die haltbarsten und teuersten, in dieser Reihenfolge. Von diesen bietet Silikonfarbe das beste Verhältnis zwischen Haltbarkeit und Preis.

Silikonfarbe wird bei vielen Anstrichprojekten verwendet und ist derzeit die gängigste Farbe. Fluorfarben werden verwendet, wenn die Haltbarkeit wichtig ist, während Acryl- und Urethanfarben verwendet werden, wenn die Anschaffungskosten niedriger sind als die Haltbarkeit.

• Acryllacke
  Am billigsten, extrem wenig haltbar und selten für Außenwände verwendet.
• Urethanfarbe
  Geringe Kosten und geringe Haltbarkeit. Geringste Qualität der für Außenwände verwendeten Farbe
  Silikonfarbe: kostengünstigste in Bezug auf Preis und Lebensdauer, derzeit am weitesten verbreitet.
• Fluorierte Farbe
  Längere Lebensdauer, aber teurer.

3. Sick-Building-Syndrom　

Das Sick-Building-Syndrom ist ein allgemeiner Begriff für Gesundheitsprobleme, die vermutlich auf die Luftverschmutzung in Innenräumen durch flüchtige organische Verbindungen zurückzuführen sind, die in Bau- und Innenraummaterialien enthalten sind, da die Häuser immer luftdichter und besser isoliert werden.

Baustoffe und Materialien, die einen hohen Gehalt an flüchtigen organischen Verbindungen wie Formaldehyd und Toluol enthalten, wurden für das Syndrom verantwortlich gemacht.

Was ist ein Vakuummessgerät?

Ein Vakuummessgerät ist ein Sensor, der zur Messung des Vakuums in einem bestimmten Raum verwendet wird.

Je nach Anwendung wird entweder ein Partialdruck-Vakuummessgerät oder ein Gesamtdruck-Vakuummessgerät gewählt. Außerdem gibt es eine große Anzahl verschiedener Messmethoden. Der Bereich des Vakuums, der gemessen werden kann, variiert je nach diesen Unterschieden.

Anwendungen von Vakuummessgeräten

Vakuumräume werden häufig in Produktionsstätten eingesetzt, in denen ein hohes Maß an Sauberkeit erforderlich ist, da es in Vakuumräumen unendlich wenige Verunreinigungen, einschließlich Feuchtigkeit, gibt. So werden Vakuummessgeräte in Flüssigkeitskreisläufen installiert, die mit Kammern und Quarzrohren verbunden sind, wenn eine Kontrolle der Vakuumreichweite erforderlich ist.

Vakuummessgeräte werden häufig in Plasmaätzanlagen in der Halbleiterherstellung und in Versuchseinrichtungen wie der Metallurgie und der organischen Synthese eingesetzt. Sie werden auch in Situationen eingesetzt, in denen Oberflächenreinheit erforderlich ist, wie z. B. bei der Bearbeitung von Objektoberflächen, z. B. in Ionenstrahl- und Beschichtungsanlagen.

Funktionsweise der Vakuummessgeräte

Es gibt eine breite Palette von Vakuummessgeräten und Messprinzipien. Vakuummessgeräte messen erfolgreich den Impuls von Gasmolekülen, die in sehr kleinen Mengen vorhanden sind, was in Gasdichte und Vakuum in einem Raum umgerechnet wird. Das am häufigsten verwendete Vakuummessgerät ist das Pirani- Vakuummessgerät.

Das Pirani-Vakuummessgerät ist ein elektrisches Widerstandsvakuummessgerät, das den Strom aus der Wärmeenergie berechnet, die beim Auftreffen des Gases auf einen stromdurchflossenen Platindraht verloren geht, und aus diesem Wert den Druck rückwärts berechnet. Der Mikrodruck entspricht direkt dem Grad des Vakuums.

Auswahl eines Vakuummessgeräts

Da es viele verschiedene Arten von Vakuummessgeräten gibt, ist es notwendig, das richtige Vakuummessgerät für den richtigen Zweck auszuwählen. Es ist wichtig, die Eigenschaften der einzelnen Vakuummeter zu kennen, da sie sich je nach Anwendungsart und Messverfahren unterscheiden.

Da es auch verschiedene Arten von Vakuummessgeräten gibt, sollte die Auswahl entsprechend dem Vakuumniveau des zu messenden Raums getroffen werden. Soll das Erreichen des Endvakuums gewährleistet werden, genügt ein Vakuummessgerät, soll jedoch das Verhalten der Vakuumpumpe, z.B. das Saugvermögen, ermittelt werden, müssen mehrere Vakuummessgeräte installiert werden.

Arten von Vakuummessgeräten

Vakuummessgeräte lassen sich je nach Anwendung, Messverfahren und Messbereich in mehrere Typen einteilen.

1. Nach Anwendung

Vakuummessgeräte für Partialdruck
Ein Partialdruck-Vakuummessgerät wird gewählt, wenn das Vakuum nur für einzelne Gase gemessen werden soll: In einem Gemisch aus zwei oder mehr Gasen ist der Partialdruck der Druck, der von jedem einzelnen Gas angezeigt wird.

Es wird zur Analyse der Qualität des Vakuums verwendet, da verschiedene Gase bei gleichem Druck unterschiedliche Eigenschaften haben. Das gebräuchlichste Vakuummessgerät für Partialdruck ist das Massenspektrometer.

Massenspektrometer bestehen aus einer Ionenquelle, einem Analysator und einer Detektionseinheit. Durch die Verwendung eines elektrischen oder magnetischen Feldes kann der Druck jedes Gases bestimmt werden, indem nur bestimmte Ionen beobachtet werden.

Vakuummessgeräte für den Gesamtdruck
Vakuummessgeräte für den Gesamtdruck werden gewählt, wenn das Vakuum in einem Raum einfach gemessen werden soll. Es gibt zahlreiche Typen, je nach Messverfahren, so dass die Wahl je nach Zweck getroffen werden muss. 

2. Messverfahren

Es gibt drei Haupttypen von Messverfahren. Es gibt drei Haupttypen von Messverfahren: Verfahren, die den Druck selbst messen, Verfahren, die Transportphänomene von Gasen nutzen, und Verfahren, die Ionisierungsphänomene in Gasen nutzen.

Methoden, die den Druck selbst messen
Zu den Vakuummessgeräten, die den Druck selbst messen, gehören die U-Rohr-Vakuummessgeräte, bei denen ein Ende eines Glas-U-Rohrs evakuiert und vakuumdicht verschlossen ist.

Das U-förmige Vakuummessgerät zeichnet sich dadurch aus, dass es von der Gasart unabhängig ist. Es ermöglicht die Messung des Absolutdrucks und wird daher als Kalibrierungsstandard für andere Vakuummessgeräte verwendet.

Methoden, die Gastransportphänomene nutzen
Vakuummessgeräte, die sich das Transportphänomen von Gasen zunutze machen, sind Wärmeleitfähigkeits-Vakuummessgeräte. Diese Vakuummessgeräte machen sich die Eigenschaft zunutze, dass die Wärmeleitfähigkeit von Gasen mit dem Druck variiert.

Es gibt zahlreiche Arten von Wärmeleitungsvakuummessgeräten, darunter Pirani-Vakuummessgeräte, Thermistor-Vakuummessgeräte und Thermoelement-Vakuummessgeräte. Es ist wichtig zu beachten, dass Vakuummessgeräte mit Wärmeleitung im Hochvakuum mehr durch Wärmestrahlung als durch Wärmeleitfähigkeit beeinflusst werden. Daher haben Vakuummessgeräte mit Wärmeleitung den Nachteil, dass sie nicht zur Messung des Hochvakuums verwendet werden können.

Methoden, die Ionisierungsphänomene in Gasen nutzen
Penning-Vakuummessgeräte (Kaltkathoden-Ionisationsvakuummessgeräte) und Ionenmessgeräte (Heißkathoden-Ionisationsvakuummessgeräte) sind zwei Arten von Vakuumröhren, die sich das Ionisationsphänomen von Gasen zunutze machen. Die Vakuummessgeräte von Penning nutzen das Phänomen der Entladung im Vakuum zur Druckmessung. Sie sind sehr langlebig, ihre Empfindlichkeit ist jedoch je nach Art des Gases sehr unterschiedlich.

Der Vorteil der Vakuummessgeräte von Penning ist ihr einfacher Aufbau. Der Nachteil ist jedoch, dass Penning-Entladungen instabil sein können, was sehr genaue Messungen erschwert. Wenn die Oberfläche stark verunreinigt ist, wird die Menge der von der Kathode emittierten Elektronen reduziert, und es kommt zu keiner Entladung, und es ist schwierig, eine Entladung im Hochvakuum zu initiieren.

3. Messbereich

Der Druck wird in Niedervakuum, mittleres Vakuum, Hochvakuum, Ultrahochvakuum usw. eingeteilt, und der Grad des gemessenen Vakuums hängt von der Art des Vakuummessgeräts ab. Je nach Industriestandard wird das Vakuum je nach Druckbereich in verschiedene Kategorien eingeteilt. Vakuummessgeräte von Pirani können niedriges bis mittleres Vakuum messen, während Vakuummessgeräte mit Ionisation mittleres bis sehr hohes Vakuum messen können.

Was ist ein Halbleiter-Belichtungssysteme?

Halbleiter-Belichtungssysteme werden bei der Halbleiterherstellung zur Abbildung von Schaltkreismustern auf Siliziumwafern verwendet. Leistungsstarkes ultraviolettes Licht wird durch eine Fotomaske geleitet, die als Prototyp für das Schaltkreismuster dient, und das Schaltkreismuster wird auf den mit Fotolack beschichteten Siliziumwafer übertragen. In den letzten Jahren haben einige Geräte einen Laser mit einer Wellenlänge von 13 nm, EUV genannt, verwendet, um feine Schaltkreismuster zu miniaturisieren. Diese Geräte sind teuer, da sie eine extrem hohe Präzision bei der Positionierung usw. erfordern.

Verwendungszwecke von Halbleiter-Belichtungssystemen

Halbleiter-Belichtungssysteme werden im Belichtungsprozess bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen (ICs) eingesetzt, die Halbleiterelemente wie Metalloxid-Halbleiter (MOS)-FETs (Feldeffekttransistoren) enthalten.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen werden auf einem Silizium-Wafer nacheinander Photolithographie- und Ätzzyklen wiederholt, um Schichten (Lagen) aus Siliziumoxid und Metall in einem vorgegebenen Muster zu stapeln und zu bearbeiten, und dabei werden die für Halbleiterbauelemente erforderlichen Eigenschaften erzielt. Bei n-Typ-MOS (NMOS) beispielsweise wird ein n-Typ-MOS (n+-Typ) gebildet, indem auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat ein Siliziumoxidfilm im Gate-Bereich und darauf ein Gate-Metall gebildet wird und in den Drain- und Source-Bereich hohe Konzentrationen von Verunreinigungen implantiert werden. Die einzelnen Schritte der Fotolithografie und des Ätzens in dieser Prozessreihe sind wie im Diagramm dargestellt organisiert (Filmabscheidungsprozess S1~Resist-Stripping-Prozess S6).
Der Belichtungsprozess (S3) wird mit Halbleiter-Belichtungssystemen durchgeführt. Je nach den Abmessungen des Schaltungsmusters und der Genauigkeit des Halbleiterbauelements werden Belichtungsanlagen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet.

Prinzip der Halbleiter-Belichtungssysteme

Halbleiter-Belichtungssysteme bestehen aus einer Lichtquelle, einer Kondensorlinse, einer Fotomaske, einem Projektionsobjektiv und einem Tisch. Das von der Lichtquelle erzeugte ultraviolette Licht wird von der Kondensorlinse so eingestellt, dass es in dieselbe Richtung weist. Das ultraviolette Licht durchdringt dann eine Fotomaske, die als Prototyp für eine Schicht des Schaltungsmusters dient, und das Licht wird durch das Projektionsobjektiv reduziert, um das Schaltungsmuster (eine Schicht des Schaltungsmusters) des Halbleiterbauelements auf den Siliziumwafer zu übertragen. In Belichtungssystemen wie Steppern wird der Siliziumwafer nach Abschluss einer Übertragung durch den Tisch bewegt und dasselbe Schaltkreismuster auf eine andere Position auf dem Siliziumwafer übertragen. Durch Auswechseln der Fotomaske kann eine weitere Schicht des Schaltungsmusters des Halbleiterbauelements übertragen werden.

Als Lichtquellen werden KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm, ArF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm und EUV-Lichtquellen mit einer Wellenlänge von 13 nm eingesetzt.

Die Designregeln (Mindestabmessungen für die Bearbeitung) für die neuesten Halbleiterfertigungsprozesse wurden auf 3-5 nm herabgesetzt, so dass Kondensorlinsen, Fotomasken, Projektionslinsen und Tische allesamt eine hohe Präzision im Nanobereich erfordern. Außerdem wird bei der fortschreitenden Stapelung die Belichtung mehrmals durchgeführt, bevor ein einzelner Halbleiter durch Änderung des Schaltungsmusters hergestellt wird.

Marktgröße und Anteil der Halbleiter-Belichtungssysteme

Der weltweite Elektronikmarkt expandiert weiter, und die Halbleiterindustrie wird bei der Unterstützung dieser Expansion immer wichtiger. Der globale Halbleitermarkt verzeichnete 2019 ein negatives Wachstum, ist aber auch in der Vergangenheit trotz des Zusammenbruchs von Lehman Brothers weiter gewachsen. In den letzten Jahren hat sich die technologische Entwicklung bei Speichern von der Miniaturisierung hin zu 3D verändert, und die Ätztechnologie hat an Bedeutung gewonnen.

Die Marktgröße für Halbleiter-Belichtungssysteme betrug im Jahr 2018 1.852,2 Milliarden Yen.
Der Marktanteil nach Verbrauchsregion ist wie folgt: erstens Südkorea 36%, zweitens Taiwan 19%, drittens China 18%, viertens USA 14% und fünftens Japan 7%. Der Anteil der Halbleiter-Belichtungssysteme nach Herstellernationalität (2018) wird fast ausschließlich von Europa und Japan dominiert, mit Europa (84%), Japan (14%) und den USA (2%).

Über EUV-Lithografiesysteme

EUV-Lithografiesysteme (Extreme Ultraviolet) sind Halbleiter-Belichtungssysteme, die extrem kurzwelliges Licht verwenden, das als extremes Ultraviolett (EUV) bezeichnet wird. Sie ermöglichen die Bearbeitung feinerer Dimensionen, was bei herkömmlichen Belichtungssystemen mit ArF-Excimer-Laserlicht schwierig ist.

Die Miniaturisierung von Halbleitern schreitet gemäß dem Mooreschen Gesetz voran (integrierte Halbleiterschaltungen werden in drei Jahren viermal so hoch integriert und funktional). Die Entwicklung der Technologie der reduzierten Projektionsbelichtung, bekannt als Stepper, kürzere Belichtungswellenlängen und die Immersionsbelichtungstechnologie haben zu einer dramatischen Verbesserung der Auflösung geführt.

Miniaturisierung bedeutet, dass die minimale Prozessgröße, die auf einen Wafer gebrannt werden kann, kleiner wird, und die minimale Prozessgröße R wird durch die folgende Rayleigh-Formel ausgedrückt.
R = k/λ/NA *k ist eine Proportionalitätskonstante, λ ist die Belichtungswellenlänge und N.A. ist die numerische Apertur des optischen Belichtungssystems

Verschiedene technologische Entwicklungen haben eine Miniaturisierung durch Verringerung von k, Verringerung von λ und Erhöhung von NA ermöglicht.
EUV-Lithografieanlagen gelten als eine Technologie, die durch die Verkürzung der Belichtungswellenlänge die Grenzen der Vergangenheit durchbrechen kann und in den letzten Jahren in Massenproduktion hergestellt wurde.

Preise für Halbleiter-Belichtungssysteme

Halbleiter-Belichtungssysteme sind heute für die effiziente Massenproduktion von Halbleitern unverzichtbar, aber sie gelten als die präzisesten Maschinen der Geschichte und sind daher teuer.

Je kürzer die Wellenlänge der in Halbleiter-Belichtungssystemen verwendeten Lichtquelle ist, desto feinere Muster können erzeugt werden und desto teurer ist das Belichtungssystem. Für jede Wellenlänge soll i-line etwa 400 Millionen Yen kosten, KrF etwa 1,3 Milliarden Yen, ArF dry etwa 2 Milliarden Yen, ArF immersion etwa 6 Milliarden Yen und EUV etwa 20 Milliarden Yen.

Je feiner der Schaltkreis, desto schneller die Signalübertragung und die Energieeinsparung, aber in den letzten Jahren ist der Anstieg der Prozesskosten aufgrund der Miniaturisierung, einschließlich der Preise für Halbleiter-Belichtungssysteme, nicht mehr zu übersehen.

Der Durchsatz von Halbleiter-Belichtungssystemen ist auch ein wichtiger Indikator für die erforderliche Leistung von Halbleiter-Belichtungssystemen unter dem Gesichtspunkt der Kosten für die Herstellung von Halbleitern. Der Durchsatz ist ein Leistungsindikator dafür, wie schnell ein Schaltungsmuster belichtet werden kann, und mit steigendem Durchsatz sinken die Produktionskosten (Betriebskosten) pro Siliziumchip. Dies ist wichtig für die Massenproduktion von Halbleiterchips.

Was ist ein Partikel-Sensor?

Ein Partikel-Sensor ist ein Gerät, das die Anzahl der Partikel in der eingeatmeten Luft während einer bestimmten Zeitspanne zählt.

Sie werden hauptsächlich in Reinräumen eingesetzt. Mit Partikeln sind hier feine Fremdkörperpartikel gemeint, die kontrolliert werden müssen, da sie vor allem in der Halbleiterfertigung zu Defekten und geringer Ausbeute führen.

Ein Partikelzähler ist ein ähnliches Gerät, aber seine Anwendung ist fast die gleiche. Allerdings können Partikel-Sensoren kontinuierlich messen, während einige Partikelzähler nicht in der Lage sind, kontinuierlich zu messen.

Partikelzähler messen in der Regel genauer als Partikel-Sensoren, sind in der Regel größere Geräte und viele Modelle können sowohl in Luft als auch in Flüssigkeiten eingesetzt werden. Leistungsstarke Modelle können Partikel messen, die größer als 0,1㎛ sind.

Anwendungen von Partikel-Sensoren

Partikel-Sensoren werden hauptsächlich in Reinräumen installiert, um die Sauberkeit des Raums zu überwachen. Beispiele hierfür sind die Überwachung der Sauberkeit bei der Autolackierung und das Reinraummanagement in Halbleiterfabriken.

Die Palette der Anwendungen wird immer breiter, so gibt es beispielsweise Partikel-Sensoren für den Einsatz in Fahrzeugen zur Messung von PM 2,5, von dem befürchtet wird, dass es Auswirkungen auf den menschlichen Körper hat. Beliebt sind ultrakompakte, relativ kleine Modelle, von denen einige platzsparend auf DIN-Schienen montiert werden können, während andere an der Wand befestigt werden können.

Funktionsweise von Partikel-Sensoren

Partikel-Sensoren funktionieren im Wesentlichen nach zwei Funktionsweisen: Lichtstreuung oder Lichtabschirmung. Beide verfügen über eine eingebaute Luftansaugpumpe und führen eine kontinuierliche Messung mit konstanter Geschwindigkeit durch, unterscheiden sich aber in ihren Partikeldetektionsmethoden, die entweder auf Lichtstreuung oder auf Abschwächung des Lichts beruhen.

1. Lichtstreuung

Partikel-Sensoren mit Lichtstreuung verwenden eine Fotodiode, um die Streuung des Lichts zu erkennen, normalerweise wenn ein Laser auf ein Partikel in der Luft trifft, und wandeln das gestreute Licht in ein elektrisches Signal um. Mit dieser Methode können Größe und Anzahl der Partikel anhand der Anzahl und Stärke der durch Lichtstreuung verursachten elektrischen Signale gezählt werden.

2. Lichtabschirmungsmethode

Bei der Lichtabschirmungsmethode der Partikel-Sensoren wird ständig Licht auf die Fotodiode gestrahlt, und die Größe und Anzahl der Partikel wird durch die Erfassung des elektrischen Signals der Schwächung der Partikel in der Luft zwischen der Lichtquelle und der Fotodiode gezählt, wenn das Licht durch sie hindurchgeht.

Bei Partikel-Sensoren muss die Messgenauigkeit sorgfältig eingestellt werden. Ist die Messgenauigkeit des Partikel-Sensors für die Sauberkeit des Reinraums zu hoch, erhöht sich der Messfehler wie bei Streulicht- und Lichtabschirmungsmethoden tendenziell.

Um Partikel-Sensoren innerhalb des gewünschten Messfehlers für die Reinheitskontrolle in Reinräumen einzusetzen, ist es notwendig, ein Modell mit einem geeigneten Messbereich zu wählen.

Weitere Informationen zu Partikel-Sensoren

1. Unterschiede zwischen Staubmessgeräten und Partikelsensoren

Der wichtigste Unterschied zwischen einem Staubmessgerät und einem Partikel-Sensor oder Partikel-Zähler ist die Konzentration des zu messenden Partikelmaterials. Staubmessgeräte sind in der Regel für die Messung hoher Partikelkonzentrationen von 0,01 mg/m³ oder mehr ausgelegt und bewerten die Konzentration auf der Grundlage des Gewichts und nicht der Menge der Partikel. Partikel-Sensoren und Partikel-Zähler hingegen unterscheiden sich dadurch, dass sie die Messungen anhand der Anzahl der Partikel quantifizieren.

Insbesondere Partikelzähler sind hauptsächlich für einmalige Messungen gedacht und haben eine detaillierte Spezifikation von Klasse 1 bis Klasse 9, um Messungen in Umgebungen mit geringer Konzentration und hoher Reinheit standzuhalten, während Staubmessgeräte für kontinuierliche Messungen gedacht sind und einen relativ großen Konzentrationsbereich messen können.

2. Tragbare Partikel-Sensoren

In jüngster Zeit wird Sauberkeit in einer Vielzahl von Umgebungen und Industrien gefordert, und die Messpunkte sind nicht auf Reinräume beschränkt, sondern decken auch einen breiten Bereich ab.

Die Hersteller entwickeln eine Vielzahl von Partikel-Sensoren, um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern, darunter Modelle, die mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden und über USB an einen PC zur Datenanalyse angeschlossen werden können, Modelle, die an ein Mehrpunkt-Überwachungssystem angeschlossen werden können, und Modelle, die mit einer Kamera ausgestattet sind.