Investigations on low-friction kinematic couplings based on compliant mechanism. - In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2021), S. 517-518
Traceable 5D-nanofabrication with nano positioning and nano measuring machines. - In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2021), S. 333-336
Today, besides the ongoing progress in the reduction of feature sizes, the measuring and fabrication of freeform surfaces with nanometre uncertainty, e.g. for aspheric lenses or structures with high aspect ratios, are a challenging task. Usually, dealing with such objects is limited by the local tilt angle between the object surface and the tool axis. There are different approaches to perform such measurements. In this paper, an extension of the Nano Measuring Machine NMM-1 with two rotational axes is described. With the proposed setup, it is possible to orientate the tool-axis perpendicular to the sample in every position, allowing larger angles to be measured / structured and minimising the uncertainty of the process e.g. due to the tilt dependency of the tool. Various machine designs are investigated and finally a solution with one rotary and one goniometer stage is integrated, preserving the existing machine infrastructure and allowing the addressability of a full hemisphere without limiting the measuring volume. As the tool centre point maintains its position during tool rotation, the Abbe principle is still fulfilled in every angular orientation. Emphasis was put on the metrological traceability of the whole system, including linear and rotary axes as well the tool itself. This was achieved by using a reference hemisphere, compensating the trajectory errors of the rotational axes. For the developed arrangement, the measurement uncertainty was investigated and several strategies for an in-situ-calibration of the additional axes are described. Finally, nanofabrication on large slopes is demonstrated.
On the development of five-axes nanopositioning machines for measurement and fabrication purposes based on Cartesian systems. - In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2021), S. 213-216
Behaviour of porous aerostatic bearings with various restrictor permeabilities. - In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2021), S. 115-118
Aerostatic bearings are externally pressurized gas lubricated bearings. Aerostatic bearings are used in high speed and precision motion applications due to low friction and high accuracy. They use a restrictor to limit the flow of the gas into the bearing gap. The presence of the restrictor increases the stability of the bearing against self-excited vibrations. This study focuses on porous graphite restrictors and the effect of permeability on the behaviour of the bearing. The bearings were studied both experimentally and with a simulation model. Flat bearing pads with 37 mm diameter and different restrictor bulk permeability were manufactured and tested. Experimental measurements were conducted on a test setup allowing loading of the bearing against a ground steel plate. The load was supplied with a series of weights. The air gap was measured with a linear length gauge, measuring the displacement of the air bearing. The pressure was controlled with a regulator and the flow rate into the bearing was measured. In order to build an accurate simulation model, the permeability of the used material was calculated from the measured short circuit flow through each 4.5 mm thick sample. The flow in the porous material and in the restrictive layer follows Darcy's law, the flow in the air gap is described by the Navier-Stokes-equation. The simulation model was validated with experimental results. Measurement and simulation results include the air gap height, load and flow rate at a supply pressure of 0.4 MPa. According to previous research and preliminary results the surface restrictor layer has increased the resistance of the bearing to self-excited airhammer vibration, leading to a higher load capacity.
Torque-compensating adjustment drive for mechanically sensitive devices. - In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2021), S. 113-114
Development of a laser beam deflection system for hybrid large scale additive manufacturing. - In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2021), S. 75-78
Utilization of a commercial EMFC system as component in a Kibble balance :
Nutzung eines kommerziellen EMK-Systems als Bestandteil einer Kibble-Waage. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), S. S8-S13
Eine Planck-Waage ist eine einfach bedienbare und vergleichsweise kostengünstige Umsetzung des Kalibrierprinzips einer Kibblewaage. Zu diesem Zweck besteht das Gesamtsystem möglichst aus kommerziell verfügbaren Komponenten wie z.B. einer Wägezelle nach dem Prinzp der elektromagnetischen Kraftkompenastion. Diese dient sowohl der Aufnahme des Masseprüflings im Wägemodus, als auch zur Führung im Bewegungsmodus. Da Abweichungen vom Idealverhalten bezüglich Kraft- und Momentenaufnahme sowie der Bewegungstrajektorie großen Einfluss auf das Messergebnis haben, müssen diese analysiert und im Messprozess berücksichtigt werde
https://doi.org/10.1515/teme-2021-0053
Stiffness calibration of AFM cantilevers :
Steifigkeitsmessungen von AFM-Cantilevern. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), S. S3-S7
Zur rückführbaren Kraftmessung mit AFM-Cantilevern ist aufgrund von Fertigungstoleranzen eine individuelle Kalibrierung jedes einzelnen Cantilevers notwendig. An der TU-Ilmenau wurde ein Prüfstand entwickelt, welcher die Steifigkeit nach einem statisch experimentellen Verfahren bestimmt. Dabei wird der Cantilever um einen definierten Weg ausgelenkt und die dazu notwendige Kraft gemessen. Die Wegmessung erfolgt durch ein kommerzielles Differenzinterferometer und die Kraftmessung mithilfe einer neu entwickelten Wägezelle. In diesem Artikel wird die Funktion des Prüfstandes am Beispiel einer Kalibrierung beschrieben und ein Messunsicherheitsbudget aufgestellt. Die relative Messunsicherheit beträgt ca. 1,5 % bei einer maximalen Kalibrierkraft von <100 nN. Eine anschließende Untersuchung des Cantilevers ergab keine nachweisbaren Schäden an dessen Spitze.
https://doi.org/10.1515/teme-2021-0046
Two-photon direct laser writing with metrologically traceable positioning :
Direktes Laserschreiben auf Basis von Zwei-Photonen-Absorption mit metrologisch rückführbarer Positionierung. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), S. S22-S27
Die Erweiterung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) zu Fabrikationsmaschinen durch den Einsatz eines Femtosekundenlasers für die Umsetzung von direktem Laserschreiben mittels Zwei-Photonen-Absorption (2PA) ist ein vielversprechender Ansatz zur skalenübergreifenden metrologischen Fertigung im Bereich der lithografischen Techniken [23]. Dazu wurde zunächst ein Konzept zur Integration der Zwei-Photonen-Technologie in eine NPM-Maschine entwickelt und umgesetzt. Anschließend erfolgten eine Charakterisierung des Systems sowie gezielte Untersuchungen, um den Nachweis für die Synergie der beiden Techniken zu erbringen. Auf dieser Grundlage wurde ein neuer Ansatz zur Mikro- und Nanofabrikation mit hohem Durchsatz entwickelt und untersucht, welcher neue Möglichkeiten in der skalenübergreifenden, hochpräzisen Fertigung aufzeigt [5]. Dieser Mix-and-Match-Ansatz basiert auf einer Verbindung von 2PA-Laserschreiben mit Feldemissionslithografie zur Herstellung von Mastern für anschließende Nanoimprintlithografie. Nicht nur die Vorteile des großen Positionierbereichs der NMM-1 konnten herausgestellt werden, sondern auch die Vorteile, die sich durch die hochgenaue Positionierung ergeben. Eine systematische Reduzierung des Abstands zweier benachbarter Linien führte zu einer minimalen Stegbreite von unter 30 nm [15], was bei den kleinsten in der Literatur beschriebenen Distanzen zwischen zwei lasergeschriebenen Linien einzuordnen ist [3, 9, 19]. Die Center-to-Center-Distanz der Linien von etwa 1.695 [my]m bei einer numerischen Apertur von 0.16 und einer Wellenlänge von 801 nm beträgt nur etwa 56 % der für den Zweiphotonenprozess erweiterten Beugungsbegrenzung nach Rayleigh. Erstmalig konnte somit eine Stegbreite weit unterhalb der Beugungsbegrenzung mit herkömmlichem Zwei-Photonen-Laserschreiben in Positiv-Photolack realisiert werden.
https://doi.org/10.1515/teme-2021-0052
Topography analysis in the NPMM-200. - In: SMSI 2021, (2021), S. 266-267
https://doi.org/10.5162/SMSI2021/D6.1