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Optomechanische Systeme

Höchste Genauigkeit unter teilweise rauen Bedingungen 

Beispiel
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Einleitung

Bei optomechanischen Systemen handelt es sich um Kombinationen von optischen und mechanischen Komponenten. Beide Komponenten werden häufig durch elektronische oder elektromechanische Bauteile ergänzt, welche zur Steuerung und Regelung dienen. Beispiele für optomechanische Systeme sind Sensoren, Spiegel, Linsenanordnungen, Zielerfassungsgeräte, Kameras, Entfernungsmessgeräte, Lithographie-Optiken, LIDAR, Periskope, Abstandssensoren usw. 

Die Genauigkeitsanforderungen solcher Systeme müssen unter teilweise sehr rauen Bedingungen erfüllt werden, so z.B. Sensoren oder Optiken in Automobilen, Flugzeugen, Drohnen, Raketen und Schiffen.
Bei stationären Systemen, z.B. bei der Bauteilvermessung durch digitale Messmaschinen wird die Messgenauigkeit bereits durch kleine Temperaturänderungen oder Erschütterungen des Fundaments beeinflusst. Gleiches gilt für Lithographie-Optiken, deren Abbildungsgenauigkeit durch kleinste Störungen negativ beeinflusst wird. 

Die Aufgabenstellungen für die Simulation lassen sich somit in drei Hauptthemenfelder unterteilen: 

  • Verzug durch die Montage, z.B. Verschraubungen 
  • Thermischer Verzug der optischen Achsen aufgrund von Temperaturänderungen und daraus resultierenden, thermischen Dehnungen 
  • Verschiebung der optischen Achsen aufgrund von Beschleunigungen, Schwingungen, Vibrationen, Spektrallasten oder Schocklasten 
  • Evakuationssimulationen und Füllsimulationen der Geräte 

Insbesondere bei Schocklasten wie z.B. dem Abfeuern eines Schusses bei einem Zielfernrohr kann die Mechanik beschädigt werden. Starke Vibrationen z.B. bei optomechanischen Instrumenten eines Satelliten beim Raketenstart können zu einer Beschädigung der Mechanik oder einem Lösen von Lötverbindung in der Elektronik führen. 

Montagesimulation / Simulation des Verzuges von Vergussmassen

Bei der Montage können durch die Vorspannkräfte der Schrauben, das Aushärten von Klebern oder von Vergussmassen unerwünschte Dehnungen in der Baugruppe entstehen, die zu einer Verschiebung der optischen Achsen führen. Dieser Einfluss kann durch eine Montagesimulation untersucht und bewertet werden. Da diese Eigenspannungen aber eingefroren sind und sich in der Regel nicht ändern, können sie oft ohne Probleme bei der Kalibrierung der Optik korrigiert werden. 

Simulation des thermischen Verzuges

Kritischer sind Änderungen des Systems während des Betriebes. An erster Stelle sind hier thermische Einflüsse zu nennen, die durch Erwärmung der Elektronik oder der Stellmotoren, des Laserlichtes oder durch Änderung der Umgebungsbedingungen (Sonneneinstrahlung, Umgebungstemperatur) entstehen. 

Der thermische Verzug kann entweder stationär oder transient, also zeitabhängig simuliert werden. 
In der Simulation gibt es hier zwei Schritte: 

  1. Die Bestimmung des Temperaturfeldes (stationär) oder der Temperaturfelder als Funktion der Zeit. 
  2. Die Bestimmung der Verformung der optischen Achsen aufgrund der thermischen Dehnungen für eines oder mehreren Zeitpunkten 

Dabei können alle Nichtlinearitäten wie z.B. die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte, der Wärmekapazität, des Wärmeausdehnungskoeffizienten berücksichtigt werden. Ebenso kann der Wärmetransport durch Strahlung mit erfasst werden, der sich nichtlinear verhält. 

1. Temperaturberechnung

Die Temperaturfelder lassen sich entweder durch eine thermische Rechnung in einem FEM-Modell anhand von Randbedingungen (Umgebungstemperatur, Wärmeübergangswerte für freie Konvektion oder erzwungene Konvektion aus Versuchsdaten, z.B. dem VDI Wärmeatlas) bestimmen oder auch direkt in einem CFD-Modell anhand von Strömungssimulationen ermitteln. Der Weg über die Strömungssimulation ist in der Regel genauer, aber auch etwas aufwändiger. Hier muss man von Fall zu Fall entscheiden, was der richtige Weg ist. Werden z.B. optomechanische Systeme verkleidet und die Anforderungen an die Genauigkeit der Temperaturfelder sind sehr hoch, kommt man an einer CFD-Berechnung nicht vorbei. 

Strahlungseffekte können sowohl bei FEM- als auch bei CFD-Modellen mit berücksichtigt werden. 

Man unterscheidet zwischen äußeren Wärmequellen z.B. durch Sonneneinstrahlung und inneren Wärmequellen (Verlustleistung der Elektronik, von elektrischen Motoren, Netzteilen PSU, Laser). 

Auch kann der Stromwärmeverlust (Joule'sche Wärme) über eine elektrische Simulation sehr genau bestimmt werden. 

2. Thermomechanische Berechnung

Die Berechnung des thermischen Verzuges erfolgt anhand einer thermomechanischen Berechnung im FEM-Modell. Als Lastfälle dienen hier das stationäre Temperaturfeld oder die transienten Temperaturfelder, die entweder beim FEM-Modell direkt bestimmt oder aus der CFD-Analyse übertragen werden. Die Verschiebung bzw. Rotation der Position der Linsen und der optischen Achsen lassen sich daraus berechnen und mit zulässigen Werten vergleichen. 

Auch eine Überlagerung mit beliebigen anderen statischen und dynamischen Lasten (siehe unten) ist jederzeit möglich. 

Statische Belastungen

Als statische Belastungen sind konstante Beschleunigungen zu nennen. Als einfachstes Beispiel ist die Betrachtung des Eigengewichtes aufgrund der Erdbeschleunigung. Unterschiedliche Positionen der Baugruppe im Raum ergeben hier bereits Verschiebungen der optischen Achsen und lassen sich durch Berechnung der Baugruppe statisch an einem FEM-Modell bestimmen. 

Simulation des dynamischen Verhaltens

Jede Struktur verformt sich, wenn sie Schwingungen, Vibrationen oder Schockbelastungen ausgesetzt ist. Als Beispiel sind hier Anregung während des Transportes zu nennen. Werden dabei Eigenfrequenzen erregt, wie es bei Random Vibrations eigentlich nie ganz zu vermeiden ist, sind die Auslenkungen der optischen Achsen größer. Treffen hohe Erregerbeschleunigungen auf niedrige Eigenfrequenzen, kann dies die Genauigkeit der optischen Achsen sehr stark beeinflussen. 

Im realen Versuch wird die Bewertung des Systems auf einem Rütteltisch mit Harmonic Sweep oder Spektralbelastungen durchgeführt. 

In der Simulation stehend folgende Werkzeuge mit steigender Komplexität zur Verfügung: 

  1. Modalanalyse (Bestimmung der Eigenfrequenzen) 
  2. Harmonic Response (Antwort des Systems auf eine lange gleichmäßige Sinuserregung) 
  3. Random Vibration (Antwort des Systems auf eine Zufallserregung, PSD Spektrum) 
  4. Schockanalyse (Spektralanalyse über SRS Response Spektrum) 
  5. Transiente Schockanalyse (direkte Zeitintegration, zeitliche Antwort des Systems auf beliebige, zeitliche Erregungen) 

Bei der direkten Zeitintegration können alle nichtlinearen Effekte, wie z.B. Spiele, Anschläge, nichtlineare Gummilagerungen, Frequenzabhängigkeiten des Werkstoffs etc. mit berücksichtigt werden. 

Simulation Evakuierung und Befüllung

Hochpräzisionsbauteile im Bereich der Lithographie bestehen oft aus mehreren, in Reihe angeordneten Linsen, die unter vakuumsnahen  Bedingungen arbeiten. Ein Laser durchläuft das Bauteil und die Linsen. Durch  Emission, Transmission und Reflexion heizen sich dabei die Komponenten und insbesondere die Linsen auf. Als Umgebung wird z.B. Wasserstoff oder Stickstoff eingesetzt. 

Beim Entleeren Evakuierung oder Evakuation  des Gehäuses oder beim Befüllen durch ein Gas dürfen die Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Linsen nicht zu hoch werden, da sonst kleinste Staubteilchen zu einer Verkratzung der Linsenoberfläche führen können. 

Sowohl die Temperaturverteilung in den Linsen durch den Laser als auch die Strömung beim Evakuieren und beim Befüllen zur Bestimmung der maximalen Geschwindigkeit sind Aufgabenstellungen, die wir über Strömungssimulationen darstellen. 

Projektbeispiele

Erfolgreich durchgeführte Projekte in unserem Hause sind 

  • Lithographiemaschinen 
  • Geräte für die Halbleiterindustrie 
  • Laserentfernungsgerät für die Vermessung von Gebäuden 
  • Laserschneider 
  • Gläserner Panzer 
  • Periskope für U-Boote 
  • Koordinatenmessmaschinen 
  • Laseranordnungen 
  • LIDAR-Scanner 
  • Fahrzeugkameras 
  • Spiegelreflexkamera 
  • Zielrohre für Jagdwaffen 
  • Teleskopspiegel 
  • Sensoren Flugzeuge 
  • Sensoren Hubschrauber 
  • Sensoren für Fahrzeuge 
  • Satellitenoptiken 
  • Zielerfassungsgeräte Kampfflugzeug, Hubschrauber 
  • Zielerfassungsgeräte Panzer 
  • u.v.m. 

Zusammenfassung und Ausblick

FEM 

  • Montagesimulation (Federelemente, Dichtungen, Passungen) 
  • Untersuchung von Festkörpergelenken und Federelementen 
  • Thermomechanische Untersuchungen (Verformungen) 
  • Modalanalyse zur Bestimmung der Eigenfrequenzen 
  • Vibration und Dauerfestigkeit (harmonische Anregung, Sine-Sweep, PSD, Schock) 
  • Langzeitverhalten von Dichtungselementen und Kunststoffen (Kriechen +  Relaxation) 
  • Genauigkeiten in den Verformungen bis zu 1 nm 
  • Toleranzuntersuchungen (z.B. von Klebestellen oder Inhomogenitäten in Masse und E-Modul) 
  • Chemische Vorspannung von Gläsern 
  • Übergabe von Verformungsfeldern für eine optische Analyse. 

CFD 

  • Thermische Simulation unter Berücksichtigung von Konvektion, Strahlung, Wärmeleitung, Heat-Pipes, aktiver Kühlung 
  • Evakuations- und Füllsimulationen 
  • Kondensation auf Optiken 
  • Partikelsimulation (z.B. Reinhaltung und Abtransport von Staubpartikeln) 

Nutzen

Ob in der Messtechnik, in der Halbleiterindustrie oder bei optischen Geräten und Kameras  - in jedem Fall kommen opto-mechanische oder opto-elektronische Baugruppen zum Einsatz. Es werden immer größere Genauigkeiten hinsichtlich der optischen Elemente gefordert. Neben Fertigungstoleranzen, haben thermomechanische Effekte oder auch Vibration einen großen Einfluss auf die Qualität der Komponenten und Geräte. 

Je genauer ausgelegt werden soll, desto schwieriger werden versuchsgetriebene Entwicklungen. 
Mittels numerischer Simulationen – thermisch, thermomechanisch oder auch dynamisch – können unsichtbare Effekte sichtbar gemacht werden und Konzepte noch vor dem Prototypenbau bewertet werden. 

Wir helfen Ihnen gerne, Ihre Ideen zur Marktreife zu bekommen. 
Merkle & Partner hat mit allen beschriebenen Verfahren jahrzehntelange Erfahrungen und war bei der Entwicklung und dem Einsatz entsprechender Methoden maßgeblich mitbeteiligt. Profitieren Sie hier von unserem einzigartigen KnowHow, welches wir uns in Zusammenarbeit mit Firmen wie Zeiss, Swissoptik, Hensoldt, Schott, Lockheed Martin, HDW, Wittenstein, Leuze u.v.a. aufgebaut haben. 

Normen und Standards

  • MIL Standard 
  • MIL-STD 810 D/167 
  • BV 0230  
  • BV 0240 
  • BV 0430/0440 
  • DIN EN 61373 

Stichworte

  • Antwortsspektrumsanalyse 
  • Befüllen 
  • Befüllungssimulation 
  • Eigenfrequenzen 
  • Eigenmoden 
  • Erzwungene Konvektion 
  • Evakuation 
  • Evakuierung 
  • Fernrohr 
  • Freie Konvektion 
  • Kamera 
  • Laser 
  • Messgerät 
  • Optik 
  • Optische Achsen 
  • Optischer Sensor 
  • Optomechanik 
  • Optomechanische Systeme 
  • Periskop 
  • Power Density Spectrum PSD 
  • Random Vibration 
  • Response Spectral Analysis SRS 
  • Schock 
  • Sine Sweep 
  • Spektrum 
  • Spektrometer 
  • Teleskopspiegel 
  • Thermische Dehnungen 
  • Thermischer Verzug 
  • Thermoschock 
  • Vergussmasse 
  • Vibration 
  • Zielerfassung 
  • Zielrohr 

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