Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen
Gerätestände dienen als Fundament für verschiedene Maschinen und Geräte, schützen die Geräte vor Vibrationen und gewährleisten die Installationsgenauigkeit für die ordnungsgemäße Funktion der Geräte. Die Anforderungen an ihre Abmessungen und Festigkeit sind hoch. Besonders hervorzuheben sind die Gerätestände von Großgeräten wie Produktionsanlagen und Bearbeitungsmaschinen. Diese Gerätestände selbst können als hervorragende Beispiele der Bearbeitungstechnologie bezeichnet werden.
Der Begriff Gerätestand ist weit verbreitet und hat viele Definitionen. Dieser Abschnitt befasst sich mit den Großgeräteständen, die das Gerüst des Maschinenparks bilden, und erläutert die Grundkenntnisse über diese Stände sowie die Punkte für die Maßhaltigkeitsprüfung, Probleme und entsprechenden Lösungen. Diese Maßhaltigkeitsprüfungen sind der wichtigste Faktor für den normalen Betrieb der Maschinen, die auf den Geräteständen stehen.
- Was ist ein Gerätestand?
- Notwendigkeit der Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen
- Herstellung von Geräteständen über Blechbearbeitung
- Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen
- Probleme der Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen und ihre Lösungen
- Optimierung der Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen
Was ist ein Gerätestand?
Sie werden auch als Anlagenstände bezeichnet und kommen hauptsächlich in Großanlagen zum Einsatz, wo sie den Rahmen bilden, der Maschinen wie Halbleiterproduktionsgeräte, Prüfgeräte, Transporter und Bearbeitungsgeräte trägt.
Ein Gerätestand besteht aus einem Gestell und einer Fixierplatte, die auf dem Gestell ruht. Da der Rahmen steif und stabil genug sein muss, um das Gewicht der Maschinen zu tragen, wird er hauptsächlich aus U-Stahl, Winkelstahl, Vierkantrohren oder anderen hochfesten Materialien hergestellt. Außerdem muss die Fixierplatte so bearbeitet werden, dass sie nur minimal belastet und verdreht wird, um Fehler bei der Montage der Teile zu vermeiden.
Die meisten Maschinen müssen nicht nur stabil sein, sondern auch eine genaue Parallelität und Vertikalität aufweisen, sodass Gerätestände eine hohe Maßgenauigkeit erfordern. Darüber hinaus gilt das japanische Baugesetz (Building Standards Act of Japan) für Gerätestände, die den festgelegten Maßstab überschreiten.
Gestelle und Stahlbetonböden und -träger ähneln Geräteständen: Die Gestelle weisen jedoch eine einfachere Struktur als die Gerätestände auf und tragen Rohre und ähnliche Gegenstände, die von den Maschinen der Anlage benötigt werden. Stahlbetonböden und -träger, die die Maschinen der Anlage tragen, werden gemeinhin als Fundament der Anlage bezeichnet.
Notwendigkeit der Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen
Die Schweißgenauigkeit beim Zusammenbau der verarbeiteten Teile hat einen großen Einfluss auf die Maßhaltigkeit und Festigkeit der Gerätestände. Um die Leistungsfähigkeit der durch Blechbearbeitung hergestellten Geräteträger zu gewährleisten, ist es daher unerlässlich, ein Schweißverfahren zu verwenden, das dem Material und dem Verwendungszweck entspricht.
Das Vollschweißen wird zum Beispiel verwendet, um die Festigkeit zu erhöhen, wenn Stücke aus U-Stahl, Winkelstahl oder Vierkantrohren zu einem Gerätestand zusammengefügt werden. Das Vollschweißen hat jedoch den Nachteil, dass sich das Material durch die Schweißwärme leicht dehnt. Daher sind Gegenmaßnahmen wie die Änderung des Schweißverfahrens und das Schweißen bei gleichzeitiger Abkühlung des geschweißten Teils erforderlich, um die Wärmebelastung zu minimieren.
Auch bei der Bearbeitung von Materialien durch Schneiden oder Bohren können thermische Verformungen und Risse auftreten. Auch beim Biegen ist Vorsicht geboten, denn Änderungen des Reibungswiderstands zwischen Platte und Stanze können die Biegeposition und den Biegewinkel verändern. Fehler in der Biegeposition und im Winkel erschweren die Montage durch Schweißen. Gerätestände, die eine noch höhere Genauigkeit erfordern, werden auf Drehbänken, Bearbeitungszentren, Fräsmaschinen und ähnlichen Geräten präzise bearbeitet. Aber auch in diesem Bearbeitungsstadium müssen strenge Maßtoleranzen und Form- und Lagetoleranzen eingehalten werden.
Auf diese Weise werden Gerätestände durch verschiedene Bearbeitungsarten hergestellt, bei denen die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass ein oder mehrere Teile verformt werden, so dass eine große Anzahl von Punkten gemessen werden muss. Auch für die Messung von Geräteständen, die nur wenige Meter groß sind, sind zwei oder drei Mitarbeiter erforderlich. Folglich müssen die Maßhaltigkeitsprüfungen von Geräteständen fehlerarm und effizient sein.
Herstellung von Geräteständen über Blechbearbeitung
Gerätestände werden durch Schweißen von hochfesten Materialien zusammengefügt, die durch Biegen, Pressen, Schneiden, Kombinieren von Metallplatten usw. verarbeitet werden. Die montierten Gerätestände werden mit großen Werkzeugmaschinen, wie z. B. Fräsmaschinen, auf die von den Zeichnungen geforderte Genauigkeit gebracht.
Diese Abfolge von Prozessen wird als Blechbearbeitung bezeichnet, und jeder Prozess erfordert ein hohes Maß an Fertigungstechniken. Normalerweise geben Zeichnungen nur die Größe des fertigen Produkts an, aber die tatsächliche Größe der einzelnen Teile ist bei der Blechbearbeitung wichtig. Für jedes Teil wird eine Explosionszeichnung erstellt und die Größen der Teile werden abgeleitet. Diese Blechbearbeitung wird von Schlossern durchgeführt. Sie müssen eine breite Palette von Fertigungstechniken beherrschen, darunter das Erstellen von Explosionszeichnungen, Anreißen, Schmelzen, Bohren, Biegen, Schweißen und Veredelung.
Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen
Für Geräteständer, die die Grundlage des Maschinenparks einer Anlage bilden, gelten strenge Anforderungen an die Maßgenauigkeit, aber die wichtigen Messpunkte sind je nach Gerät unterschiedlich. In diesem Abschnitt werden die Messpunkte am Beispiel von Ausrüstungsständen für Halbleiterproduktionsgeräte vorgestellt, die eine strenge Maßgenauigkeit erfordern und die unter allen Produktionsgeräten mit einer bemerkenswerten Geschwindigkeit entwickelt wurden, sowie an Ausrüstungsständen für große Fünf-Seiten-Fräsmaschinen.
Punkte für die Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen für EUV-Belichtungsgeräte
EUV steht für „Extreme Ultraviolet“. EUV-Laserlicht hat eine Wellenlänge von 13,5 nm, weniger als 1/10 der Wellenlänge des üblichen ArF-Excimer-Laserlichts, das 193 nm beträgt. Es gibt große Hoffnungen für den Einsatz von EUV in Belichtungsgeräten, Masken, Abdeckmittel und ähnlichen Anwendungen. Belichtungsgeräte, die EUV verwenden, ermöglichen eine Bearbeitung mit Dimensionen von 20 nm oder weniger, was mit der optischen Lithografietechnologie, die ArF-Excimer-Laserlicht verwendet, schwierig ist.
Auf der anderen Seite macht die zunehmende Detaillierung der Verarbeitungsdimensionen die Schwingungsdämpfung des Wafer-Objekttisches und die Ausrichtung zwischen den Belichtungsprozessen strenger als je zuvor. Hohe Genauigkeit ist auch bei der Positionierung des FOUP (Front Opening Unified Pod) erforderlich, der die Wafer in den Belichtungsapparat einlegt.
Bei Geräteständen für EUV-Belichtungsgeräten ist es unerlässlich, die diagonalen Abmessungen des Gerätestandrahmens, den Zuordnungswinkel der Löcher im Gerätestand und die Abmessungen der Lochposition des Gerätestands anhand der Referenzkoordinaten zu messen. Verformung, Verzug und Ebenheit der Fixierplatte sind ebenfalls wichtige Messpunkte. Diesen Messungen muss besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da ihre Genauigkeit direkt mit der Ausbeute und der Fehlerquote bei der Halbleiterherstellung zusammenhängt.
Die Punkte für die Maßhaltigkeitsprüfung für Gerätestände für große Fünf-Seiten-Fräsmaschinen
Große Gerätestände mit komplizierten Formen oder die Abmessungen von ±0,01 mm und strenge Parallelität, Ebenheit usw. erfordern, werden mit Fünf-Seiten-Fräsmaschinen bearbeitet. Bei diesen Maschinen bleibt das Messobjekt stationär. Die Vorder- und Rückseite, die linke und rechte Seite sowie die Oberseite werden durch den beweglichen Werkzeugachsenanschluss bearbeitet.
Es liegt in der Natur der Sache, dass Fünf-Seiten-Fräsmaschinen mit höherer Genauigkeit arbeiten können als dreiachsige Werkzeugmaschinen. Da sich die Werkzeugachse jedoch in komplizierten Mustern durch viele Bearbeitungsachsen bewegt, können Fehler in den Anfangseinstellungen bei einer Fünf-Seiten-Fräsmaschine größere Bearbeitungsfehler verursachen als bei einer dreiachsigen Werkzeugmaschine. Vor allem bei der Bearbeitung detaillierter oder dünner Teile kommt es aufgrund des Bearbeitungsdrucks und der Hitze zu Verformungen, weshalb die Messung während der Bearbeitung ein wichtiger Punkt ist.
Die Maßhaltigkeitsprüfung während der Bearbeitung wird als „Messung in der Maschine“ bezeichnet und ist für die hochpräzise Bearbeitung von Platten unerlässlich.
Im Allgemeinen wird die Messung in der Maschine von Bedienern mit Handmessmitteln oder ähnlichen Instrumenten durchgeführt, aber aufgrund der jeweiligen Bediener und der verschiedenen Messpunkten treten Abweichungen bei den Messwerten auf.
Mit einer Werkzeugmaschine, die mit einem Messtaster ausgestattet ist, der die Messung in der Maschine ermöglicht, kann eine 3D-Maßhaltigkeitsprüfung ohne Abweichungen durchgeführt werden; es treten jedoch Fehler auf, die auf das Spiel der Werkzeugmaschine und ähnliche Probleme zurückzuführen sind. Auch weil das Antriebssystem der Werkzeugmaschine selbst zur Durchführung der Messung verwendet wird, kann man nicht von einer objektiven Messung im eigentlichen Sinne sprechen. Dies ist ein grundlegendes Problem.
Probleme der Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen und ihre Lösungen
Der Verarbeitungsstatus von großen Messobjekten wie Geräteständen ist nicht nur nach der Herstellung, sondern auch während der Herstellung zu überprüfen. Bisher wurden diese Messungen mit Maßbändern und Messschiebern durchgeführt. Fehler bei der Installation wurden durch Einfügen von Unterlegscheiben korrigiert. Die Messung und Anpassung nahm jedoch viel Zeit in Anspruch, was zu längeren Zeiträumen bis zur Auslieferung und Inbetriebnahme führte.
Um diese Probleme zu lösen, werden in immer mehr Fällen die neuesten 3D-Koordinatenmessgeräte eingesetzt. Das Mobile 3D-Koordinatenmessgerät der Modellreihe WM von KEYENCE ermöglicht mit dem drahtlosen Messtaster eine hochpräzise Messung von großflächigen Messobjekten wie z. B. Geräteständen. Selbst vertiefte Bereiche von Werkstücken können ohne Bewegungseinschränkungen innerhalb des Messbereichs erreicht werden, was Messungen durch eine einzelne Person ermöglicht, die das Messobjekt einfach mit dem Messtaster antasten kann. Im Gegensatz zu Messungen mit Messinstrumenten wie Messschiebern und Maßbändern variieren die Ergebnisse nicht, was eine quantitative Messung ermöglicht.
3D-Messung von Großgeräteständen
Normalerweise dauert die Messung eines großen Gerätestandes mit einem Maßband oder einem Messschieber sehr lange und erfordert mindestens zwei erfahrene Mitarbeiter. Außerdem können nur lineare Entfernungen gemessen werden, keine 3D-Dimensionen oder Koordinatenpositionen, was ein Problem darstellt.
Die Modellreihe WM ermöglicht die einfache 3D-Messung von Großgeräten durch eine einzige Person. Dank der intuitiven Bedienung durch einfaches Antasten des kabellosen Messtasters mit dem Messpunkt können die vertieften Bereiche des Messobjekts problemlos gemessen werden.
Feine Abmessungen in Einheiten von ±0,01 mm können ebenso gemessen werden wie Breiten, Höhen und Diagonalen, Abmessungen, die mehrere Meter groß sind. So werden Biege- und Pressfehler und selbst kleinere thermische Verformungen durch Bohren und Schneiden erfasst, sodass vor der Montage eine Nachbearbeitung an den Problemstellen möglich ist.
Außerdem ist die Modellreihe WM tragbar, sodass das Messobjekt nicht auf dem Messgerät platziert werden muss. Die Messung kann mit dem Messobjekt auf dem Boden oder einer Palette durchgeführt werden. Die Möglichkeit, Messungen an den Produktionsstandorten durchzuführen, was mit üblichen Brücken-Koordinatenmessgeräten nicht möglich ist, erlaubt es, die Vorbereitungsarbeiten für die Bestimmung der Nivellierung und des Bearbeitungsaufmaßes im Voraus durchzuführen, wodurch die Betriebsrate der Werkzeugmaschinen verbessert wird.
Messung der Ebenheit und Rechtwinkligkeit von Geräteständen für Hochpräzisionsgeräte
Typische Gestelle für Gerätestände werden aus Vierkantrohren mit dicken Wänden hergestellt. Die Hauptinstallationsflächen aus Aluminium werden mit einem Brückenbearbeitungszentrum so bearbeitet, dass sie mit einer Toleranz von 0,1 mm oder weniger flach sind, um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen.
Um die Ebenheit zu ermitteln, werden mindestens drei Punkte auf einer Messobjekt-Ebene mit einem Maßband oder einem Messschieber gemessen und die maximale Abweichung als Ebenheit berechnet. Alternativ werden die Lücken, die entstehen, wenn ein Messobjekt zwischen zwei parallelen Ebenen platziert wird, mit Messinstrumenten, wie z. B. Fühlerlehren, gemessen und eine OK/NG-Beurteilung durchgeführt. Es ist jedoch unmöglich, die Ebenheit von 3D-Formen, wie z. B. Verzug und Formunterschiede, genau zu messen und zu quantifizieren.
Die Modellreihe WM ermöglicht eine genaue Messung der Ebenheit durch einfaches Berühren eines Messobjekts mit dem kabellosen Messtaster. Sie kann auch die Dehnung und Formunterschiede einer gesamten Oberfläche in einer Farbkarte visualisieren, was die Effizienz der Arbeit, die Messobjekte in die vorgesehenen Formen für die Fertigstellung verarbeitet, erheblich verbessert. Verschiedene andere Elemente, wie Rechtwinkligkeit, Position und Parallelität, können ebenfalls gemessen werden. Die Modellreihe WM trägt in hohem Maße zu einer höheren Qualität der Fertigung von Geräteständen bei.
Maßhaltigkeitsprüfung an Werkzeugmaschinen
Für die Messung eines großen Maschinenstands mit einem Brücken-3D-Koordinatenmessgerät muss der Stand von der Werkzeugmaschine mühsam entfernt und in das Messlabor gebracht werden. Messungen, die an der Werkzeugmaschine mit Handmessmitteln oder der maschineninternen Messfunktion durchgeführt werden, nehmen sehr viel Zeit in Anspruch, was die Arbeitsgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine verringert. Das stellt ein Problem dar.
Außerdem ist es bei der Feinjustierung von Geräteständen während der Überprüfung der endgültigen Genauigkeit besser, ihre Maße auf Werkzeugmaschinen zu messen, anstatt sie zu entfernen. Daher kann man sagen, dass für die Maßhaltigkeitsprüfung von großen Geräteständen ein 3D-Koordinatenmessgerät ideal ist, das kompakt und tragbar ist und eine große Fläche eines Gerätestands auf einer Werkzeugmaschine messen kann.
Die Modellreihe WM kann sogar die Rahmen von Geräteständen messen, ohne dass diese von großen Fünf-Seiten-Fräsmaschinen abgenommen werden müssen. Sie ermöglicht die einfache Durchführung von Maßhaltigkeitsprüfungen, wie z. B. der Diagonalen fertiger Oberflächen, durch eine einzige Person, was die Effizienz von Feineinstellungen am Ende des Fertigungsprozesses erhöht.
Darüber hinaus können Prüfberichte mit Fotos der Messpunkte vor Ort erstellt werden, sodass die Genauigkeit mit hoher Zuverlässigkeit vor der Produktauslieferung garantiert werden kann.
Optimierung der Maßhaltigkeitsprüfung von Geräteständen
Die Modellreihe WM ermöglicht die genaue Messung der Form von Großgeräteständen durch eine einzelne Person durch einfaches Antasten der Messobjekte mit dem kabellosen Messtaster. Zusätzlich zu den oben vorgestellten Leistungsmerkmalen bietet die Modellreihe WM folgende Vorteile:
- Hochpräzise Messung über eine Fläche von bis zu 15 m.
- Mit dem kabellosen Messtaster kann eine große Reichweite von bis zu 15 m mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Großflächige Messobjekte, deren Messpunkte mit Brücken-KMGs, Messarmen oder mit Handmessmitteln wie Messschiebern nicht erreicht werden können, lassen sich problemlos messen.
- Messung von großformatigen Produkten durch eine einzige Person
- Die einfache Bedienung durch einfaches Berühren der zu messenden Stelle mit dem kabellosen Messtaster ermöglicht die Messung großformatiger Produkte durch eine einzige Person, was zu einer erheblichen Senkung der Prüfkosten führt.
- Das tragbare Gehäuse kann vor Ort platziert werden
- Die Haupteinheit kann auf dem Rollwagen bewegt werden. Anstatt das Messobjekt zu bewegen, kann die Modellreihe WM zum Messobjekt gebracht werden.
- Prüfung mit 3D-CAD-Daten
- Sie können eine Vergleichsmessung von einem Bauteil und einer 3D-CAD-Datei durchführen. Die Abweichungen vom Bauteil zur 3D-CAD-Zeichnung können als Fehlfarbenvergleich dargestellt werden. Dies ist hilfreich bei Messungen von Freiformflächen und Profiltoleranzen.
Die Modellreihe WM bietet nicht nur leistungsstarke Unterstützung für Maßhaltigkeits- und Formmessungen von Teilen großformatiger Gerätestände und für die Messung des Installationsstatus, sondern auch für die Datenanalyse und die Erstellung von Prüfberichten. Sie verbessert die Effizienz der Herstellung von großen Geräteständen und der für ihre Installation und das Qualitätsmanagement erforderlichen Arbeiten erheblich.
