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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfstand zur Erfassung von Partikelemissionen
aufgrund von reibenden (tribologischen) Belastungen an Werkstoffpaarungen.
Ein derartiger Prüfstand
wird insbesondere zum Einsatz in Reinräumen benötigt, um die dort auftretenden
Partikelbelastungen durch eine reibende Werkstoffpaarung zu ermitteln
bzw. die dort eingesetzten Werkstoffpaarungen diesbezüglich zu
optimieren.
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Bei
einer Fertigung in reinen Bereichen ist der Schutz der Fertigungsteile
vor Kontaminationen von größter Bedeutung.
Entsprechend müssen
potenzielle Kontaminationsquellen in der Produktionsumgebung identifiziert
und nach Möglichkeit
beseitigt werden. Eine wesentliche Kontaminationsquelle insbesondere
für luftgetragene,
partikuläre Verunreinigungen
sind die für
die Produktion erforderlichen Maschinen und Anlagen. Hier gilt es
primär, die
Entstehung von Kontaminationen zu verhindern, als sekundäre Maßnahmen
kommen Vorrichtungen zur Beseitigung oder Kapselung der Kontaminationen
in Betracht. Kritische Komponenten sind hier insbesondere Bauteile,
bei denen Oberflächen
in Kontakt kommen, sich dabei relativ zueinander bewegen und während dieser
tribologischen Belastung Partikel generieren. Durch eine problemangepasste
Werkstoffauswahl bezüglich
der sich berührenden
Oberflächen
kann die Partikelemission kritischer Komponenten erheblich verringert
werden. Durch die modellhafte Simulation der tribologischen Belastung
von Werkstoffpaarungen in Kombination mit der Erfassung generierter
Partikel wird eine wesentliche Voraussetzung für die objektive Auswahl geeigneter Werkstoffpaarungen
geschaffen.
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Zu
den Branchen, in denen die vorliegende Erfindung eingesetzt werden
kann, zählen
alle Bereiche, deren Fertigung Reinräume der höchsten Luftreinheitsklassen
erfordert. Dazu zählt
die Halbleiterindustrie, die Fertigung optischer Instrumente, sowie generell
die Produktion mit Fertigungsstrukturen im Mikrometer- bzw. Nanometerbereich.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft also den Bereich der Tribologie,
bei der der Verschleiß einer Werkstoffpaarung
als Auswirkung von Reibungsvorgängen
untersucht wird. Hierbei werden unterschiedlichste Versuche realisiert,
die von der Begutachtung von Bauteilen aus realen Produktionsanlagen
bis hin zu standardisierten Modellversuchen an definierten Prüfkörpern und
beherrschten Versuchsbedingungen reichen. Dabei werden als variable
Parameter insbesondere die Anpresskraft, die Relativgeschwindigkeit zwischen
den reibenden Werkstoffen aber auch Systemkomponenten, wie Temperatur,
relative Luftfeuchte und Vakuum betrachtet.
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Diese
Untersuchungen sind von großer
Bedeutung für
ein reinheitsgerechtes Anlagendesign bei der Konstruktion von Anlagen
und Maschinen für den
Einsatz in reinen Bereichen. Maßgeblich
sind hier unter anderem die Eigenschaften der Oberflächen hinsichtlich
chemischer Beständigkeit, ESD-Verhalten,
Ausgasung und Reinigbarkeit. Insofern kommt der Auswahl geeigneter
Oberflächen eine
besondere Bedeutung zu.
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Die
in den Regelwerken zur Reinraumtechnologie zu findenden Empfehlungen
hinsichtlich des Einsatzes unterschiedlicher Oberflächen sind
in der Regel sehr allgemein gehalten und unspezifisch. Insbesondere
erfolgt nur eine qualitative Beurteilung der angegebenen Materialien,
was hinsichtlich der Breite des Anwendungsspektrums in reinen Einsatzbereichen
unzureichend ist.
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Da
bei den Anwendern der Bedarf zur Evaluierung von Oberflächen besteht,
wird of auf Untersuchungsverfahren zurückgegriffen, die von den jeweiligen
Anwendern selbst erarbeitet und dokumentiert werden. Die Ergebnisse
dieser Tests sind jedoch nur im Kontext der jeweiligen Versuche
verwertbar, eine Vergleichbarkeit mit den Ergebnissen anderer Tests ist
aufgrund der unterschiedlichen Vorgehensweisen in der Regel nicht
möglich.
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Eine
weiteres Kriterium zur Auswahl von Oberflächen sind Erfahrungswerte aus
der praktischen Verwendung Diese Erfahrungen liegen jedoch nicht
systematisch und strukturiert vor.
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Bei
den bisher vorhandenen Evaluierungsverfahren haben die Anwender
außerdem
keine Möglichkeit,
von Ihnen favorisierte Werkstoffe hinsichtlich einer potenziellen
Partikelemission beim vorgesehenen Reinheitseinsatz miteinander
zu vergleichen.
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Zur
Detektion luftgetragener partikelförmiger Verunreinigungen haben
sich optische Partikelzähler etabliert.
Optische Partikelzähler
arbeiten nach dem Streulichtprinzip. Mittels einer Probenahmesonde wird
ein definierter Luftvolumenstrom (üblicherweise 1 cubic foot/min
= 28,3 l/min) angesaugt und über
einen angeschlossenen Messschlauch in eine verspiegelte Messkammer
geleitet. Dort wird die Luft durch einen Laserstrahl geführt. Sobald
ein vom Luftstrom mitgetragenes Partikel vom Laserstrahl getroffen wird,
tritt eine Lichtstreuung auf, die von Photodetektoren erfasst wird.
Die Zahl der registrierten Impulse entspricht der Zahl der im Volumen
befindlichen Partikel, die Intensität der Impulse ist dabei ein
Maß für die Partikelgröße. Durch
entsprechende Kalibrierung ist eine Differenzierung der gezählten Partikel
in Größenklassen
realisierbar.
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Optische
Partikelzähler
ermöglichen
die echtzeitgetreue Erfassung luftgetragener, teilchenförmiger Verunreinigungen.
Die Daten stehen in Echtzeit zur Kontrolle und Bearbeitung mittels
PC zur Verfügung.
So kann z. B. die Partikelemission von Maschinen und Anlagen direkt
während
des Betriebs bestimmt werden und der Verlauf der Emission über unterschiedliche
Stadien des Betriebs verfolgt werden.
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Die
mit den in der Tribologie vorhandenen gerätetechnischen Lösungen gewonnenen
Erkenntnisse lassen jedoch bisher keine Rückschlüsse auf das Partikelemis sionsverhalten
entsprechender Werkstoffpaarungen zu. Das Partikelemissionsverhalten
ist aber hinsichtlich eines Einsatzes in reinen Bereichen eine wesentliche
Größe.
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Eine
kontinuierliche der bei tribologischer Belastung entstehenden Partikel
ist mit den vorhandenen Geräten
der Tribologie nicht möglich.
Weder sind entsprechende Vorrichtungen vorhanden noch entspricht
der Aufbau der Geräte
den Voraussetzungen, die eine Erfassung der Partikelemission ermöglichen
würden.
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Die
Geräte
selbst sind insbesondere nicht für die
besonderen Anforderungen eines Einsatzes in reinen Bereichen ausgelegt.
Dadurch ist eine querkontaminationsfreie Messung der Partikelemission nicht
gewährleistet.
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Die
vorliegende Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, einen Prüfstand zur
Verfügung
zu stellen, mit dem unter definierter tribologischer Belastung definierte
vorausgewählte
Werkstoffpaarungen bezüglich
der Erzeugung luftgetragener Partikel in Echtzeit untersucht werden
können.
Dies soll dann auch die Erstellung einer Messgröße ermöglichen, durch die eine standardisierte
Beurteilung von tribologischen Werkstoffpaarungen möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch den Prüfstand nach
Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Prüfstandes werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß weist
der Prüfstand
eine Vorrichtung zum Halten der tribologischen Werkstoffpaarung
aus Grundkörper
und Gegenkörper
auf, mit der auch eine Reibung zwischen diesen beiden Werkstoffen
erzeugt werden kann. Es kann sich hier um eine Halterung, wie beispielsweise
ein „Backenfutter" in Kombination mit
einem motorischen Antrieb, beispielsweise einem Elektromotor, handeln.
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Weiterhin
weist der erfindungsgemäße Prüfstand eine
Vorrichtung auf, mit der eine laminare Luftströmung über die Werkstoffpaarung erhalten
werden kann. Der erfindungsgemäße Prüfstand ist
besonders zum Einsatz in Reinst- oder Reinräumen vorgesehen, in denen gewöhnlich bereits
eine laminare Luftströmung
von oben (Decke) nach unten (Boden) des Raumes erzeugt wird. Diese
laminare Luftströmung
wird durch die Vorrichtung zur Erhaltung der laminaren Luftströmung erhalten
und über
eine Messsonde geleitet. Diese Messsonde dient der Aufnahme von
Luft aus der laminaren Luftströmung
luftstromabwärts
und benachbart zu der tribologischen Werkstoffpaarung. Die so erfasste
Luft wird erfindungsgemäß beispielsweise
in einem Partikelzähler bezüglich der
Partikelfracht vermessen. Der erfindungsgemäße Prüfstand ermöglicht es nun, Materialpaarungen
hinsichtlich des für
die Fertigung in reinen Bereichen wichtigen Aspekts der Partikelemission
zu vergleichen. Auf diese Weise dient er der Auswahl von Materialien
und deren Optimierung und damit dem verbesserten Einsatz von Anlagen
oder Maschinen in diskreten Luftreinheitsklassen. Die mit dem erfindungsgemäßen Prüfstand gemessene
Partikelemission eignet sich als Kinngröße zur Beurteilung reinheitstechnischer
Anlagen. Insbesondere ist diese Messgröße eine dynamische Messgröße, während bisherige
tribologische Kenngrößen statische
Kenngrößen sind.
Der erfindungsgemäße Prüfstand ermöglicht eine
große
Variationsmöglichkeit
bei der Ausgestaltung der tribologischen Belastung, beispielsweise
der Kraft, mit der Grundkörper
und Gegenkörper
aufeinander drücken,
der Laufstrecke des Gegenkörpers
auf dem Grund körper
und der Positionierung des Gegenkörpers auf dem Grundkörper. So wird
die tribologische Vorgehensweise auch für die Beurteilung der Reinheitstauglichkeit
einer untersuchten Werkstoffpaarung erschlossen.
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Die
Partikelemission kann zusätzlich
nicht nur quantitativ und in Echtzeit erfasst werden, sondern es
bietet sich mit einem Partikelzähler
als Vorrichtung zur Erfassung der in der Sonde aufgenommenen Luft
enthaltenen Partikeln auch die Möglichkeit,
die Größenverteilung
der emittierten Partikel zu bestimmen.
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Insgesamt
ist damit erstmals ein auf experimentellen Ergebnissen beruhendes
reinraumgerechtes Design der in einem Gerät eingesetzten Einzelkomponenten
möglich.
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Entscheidender
Ansatz der vorliegenden Erfindung ist es dabei, die bereits in dem
Raum, in dem der Prüfstand
aufgestellt wird, befindliche laminare Strömung von oben nach unten zu
erhalten und über sowohl
die tribologische Werkstoffpaarung als auch über die nachgeordnete Messsonde
zu führen.
Dabei werden verschiedene Maßnahmen
realisiert, die dazu beitragen, dass die Luftströmung laminar ist. Hierzu werden
verschiedene Aspekte berücksichtigt, die
in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben sind.
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Im
Folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Prüfstand gegeben.
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Es
zeigen
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1 das
Prinzip des Kugel-Scheibe-Tests;
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2 das
Prinzip des Scheibe-Scheibe-Tests;
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3 einen
erfindungsgemäßen Prüfstand im
Querschnitt schematisch;
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4 denselben
Prüfstand
wie in 3 in anderem Querschnitt schematisch;
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5 den
erfindungsgemäßen Prüfstand in Aufsicht;
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6 ein
Detail des erfindungsgemäßen Prüfstandes;
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1 zeigt
nun das Prinzip des Kugel-Scheibe-Tests. Beim Kugel-Scheibe-Verfahren
wird eine Kugel 2 mit der Normalkraft F bei einem Radius
r auf eine Scheibe 3 gepresst. Die Scheibe 3 rotiert
dabei mit der Frequenz f, sodass sich an der Kontaktstelle die Relativgeschwindigkeit
v ergibt. Die Einzelmessstrecke s berechnet sich aus dem Umfang
des Kreises mit dem Radius r. Die Belastungswiederholungszahl N
gibt die Anzahl kompletter Umdrehungen der Scheibe unter der Kugel
während
des Versuchs wieder. Der Radius r entspricht der Position des Gegenkörpers 2 relativ
zum Grundkörper 1 und
kann beispielsweise mittels einer Rändelschraube eingestellt werden.
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Das
Kugel-Scheibe-Verfahren simuliert eine reine Gleitreibung zwischen
zwei Werkstoffen. Die Kontaktstelle ist punktförmig, was bei der Beurteilung der
resultierenden lokalen Anpressdrücke
zu berücksichtigen
ist.
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2 zeigt
das Prinzip des Scheibe-Scheibe-Tests. Beim Scheibe-Scheibe-Verfahren
liegen die Stirnflächen
des scheibenförmigen
Grundkörpers 1b und
scheibenförmigen
Gegenkörpers 1a in
einer Ebene. Der Umfang des Gegenkörpers wird dann mit der Normalkraft
F auf den Umfang des mit der Frequenz f rotierenden Grundkörpers 1b gedrückt, die Scheiben
laufen aufeinander ab. Die Einzelmessstrecke s ist hier aus dem
Umfang der beiden Scheiben gegeben (in der Regel beide Scheiben 1a und 1b mit gleichem
Umfang bzw. Radius r). In Abhängigkeit
von der Frequenz f des Grundkörpers
ergibt sich an der Kontaktstelle die Relativgeschwindigkeit v. Die
Bewegung des Grundkörpers
ist dabei reversierend, das Ablaufen der beiden Scheiben 1a und 1b findet
nur über
max. ¼ des
Umfangs statt. Die Frequenz bzw. Relativgeschwindigkeit an der Kontaktstelle
folgt dabei einer Dreiecksrampe.
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Das
Prinzip des ebenfalls häufig
angewandten Block-Scheibe-Verfahrens
wird hier nicht figürlich dargestellt.
Es entspricht jedoch demjenigen des Scheibe-Scheibe-Tests, wobei jedoch der Gegenkörper blockiert
ist. Dadurch können
die Prüfkörper nicht aufeinander
ablaufen und es kommt an der Kontaktstelle zu Gleitreibungen. Die
Kontaktstelle ist in diesem Falle linienförmig.
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3 zeigt
nun einen erfindungsgemäßen Prüfstand in
seitlicher Schnittansicht. Bei diesem Prüfstand 10 ist auf
einem Rahmengestell 28 eine Prüfanordnung angeordnet, mit
der tribologische Abriebtests durchgeführt werden können. Das
Rahmengestellt 28 weist einen Rahmen aus Seitenpfosten 30,
oberen Kanten 31 und unteren Kanten 32 auf, wobei
das Rahmengestellt seitlich zumindest an einer der Seiten oder an
allen Seiten offen ist. Die Oberseite des Rahmengestells 28 ist
mit einem Lochblech 33 abgedeckt, auf dem die oberhalb
des Rahmengestells befindlichen Komponenten des Prüfstandes
montiert sind. Oberhalb des Lochbleches 33 befindet sich
nun eine Halterung 14 für
einen Gegenkörper,
beispielsweise eine Kugel. Diese Halte rung 14 ist mit einer
Krafteinleitungseinheit 13 verbunden, mit der Druckkraft
auf den Gegenkörper 14 ausgeübt werden
kann. Die Halterung 14 des Gegenkörpers ist über Rändelschrauben 15a und 15b in
der Ebene des Lochbleches 33 sowie in der Höhe über dem Lochblech 33 verstellbar.
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Der
Halterung 14, gegenüber
angeordnet, ist eine Halterung 18 für einen Grundkörper, der
in der vorliegenden 3 mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet
ist. Es handelt sich hier beispielhaft um eine Scheibe für einen
Kugel-Scheibe-Test. Die Scheibe 16 wird über eine
Vorrichtung zur Übertragung
einer Antriebskraft, beispielsweise einer Welle 19, drehbar angetrieben.
Die Welle 19 ist im Eingriff mit einem Riemen 21 der
nicht nur mit der Welle 19, sondern auch mit einem Motor 22 im
Eingriff ist und eine Drehbewegung vom Motor 22 auf die
welle 19 überträgt. Zum
Ausgleich von Drehgeschwindigkeitsschwankungen ist weiterhin an
dem Ende der Welle 19, das der Scheibe 16 abgewandt
ist, ein Schwungrad 20 vorgesehen. Die Halterung 18 und
die Welle 19 sind über
ein Gestell 24 auf der Lochplatte 33 bzw. dem Rahmen 28 angeordnet.
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Innerhalb
des Rahmengestells 28 ist nun ein Partikelzähler 12 herkömmlicher
Bauart, beispielsweise ein optischer Partikelzähler, angeordnet. Dieser weist
einen Einlassstutzen 38 für Messluft auf, an den ein
Schlauch 37 angeschlossen ist. Oberhalb des Partikelzählers 12 erstreckt
sich in senkrechter Richtung ein Schacht 35, bis kurz unterhalb
der tribologischen Reibungsstelle zwischen dem Gegenkörper und
dem Grundkörper 16.
An dieser Stelle ist weiterhin unterhalb dieser tribologischen Reibungsstelle eine
Messsonde 36 angeordnet, die von oben über die tribologi sche Reibungsstelle
strömende
Luft auffängt
und in den Schlauch 37 und damit über den Stutzen 38 in
den Partikelzähler 12 weiterleitet.
Der Schacht 35 erstreckt sich dabei sehr weit unterhalb des
Lochbleches 33, um eine möglichst laminare Strömung innerhalb
des Schachtes und oberhalb des Schachtes 35 zu ermöglichen.
Wäre dieser
Schacht kürzer
ausgeführt,
so könnten
Verwirbelungen an seinem Ende zurückwirken auf den Einlass des Schachtes 35.
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Der
erfindungsgemäße Prüfstand ist
zum Einsatz in einem Reinraum vorgesehen, bei dem bereits anlagentechnisch
ein laminarer Luftstrom von oben nach unten vorliegt. Dieser ist
in 4 mit Pfeilen A als Reinraumerstluftströmung dargestellt.
Wie in 4 zu erkennen ist, ist die Halterung 18 und
die Welle 19 mit einer Haube 40 versehen, die
die Reinraumerstluft A möglichst
gleichmäßig um die
Halterung 18 und die Welle herum ableiten soll. Die Haube besitzt
an ihrem dem Grundkörper 16 zugewandten Ende
ein Blech 43, das einen gefalzten Bereich 44 aufweist,
der sich in Richtung der Welle vom Grundkörper 16 weg erstreckt.
Dieses Blech 43 dient als Leitblech für die Reinraumerstluft und
erzeugt eine Luftströmung
um dieses Ablenkblech 43 herum, deren Strömungsrichtung
mit den Pfeilen D dargestellt ist. Diese Strömung D strömt dann über die tribologische Reibpaarung
in möglichst
laminarer Weise, strömt über die
Messsonde 36 und dann in den Schacht 35 und verlässt diesen
erst wieder an seinem, unteren Ende 39. Durch den Schacht 35 wird bewirkt,
dass im Bereich der Messsonde 36 die Luftströmung D noch
weitgehend laminar vorliegt.
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Die
Messsonde 36 nimmt dann Messluft auf und leitet sie über den
Schlauch 37 in den Partikelzähler 12.
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Mit
dem Pfeil C ist die aus dem Schacht 35 ausströmende, immer
noch weitgehend laminare Luftströmung
bezeichnet, während
im übrigen
Bereich innerhalb des Gestelles 28 zumindest teilweise turbulente
Strömungen
vorliegen, die mit den Pfeilen B bezeichnet sind.
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5 zeigt
nun eine reale Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Prüfstandes,
wobei jedoch hier die Halterung 18 und die Welle 19 ohne
die Abdeckung durch die Haube 40 dargestellt sind. Demgegenüber ist
der Gegenkörper 17 in
Form einer Rolle in dieser Figur eingezeichnet. Hier, wie bei den
vorigen und bei den nachfolgenden Figuren, bezeichnen gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen gleiche oder ähnliche
Bauelemente.
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6 zeigt
nun einen Detailausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Prüfstand, nämlich die Haube 40 sowie
das Ableitblech 43. In 6 ist zu erkennen,
dass die Haube 40 einen gerundeten oberen Bereich 41 aufweist,
der in gerade Seitenbleche 42 übergeht. Das Ableitblech 43 besitzt
seinerseits eine senkrechte Fläche 45,
in die ein Loch 46 eingebracht ist. Die Öffnung 46 dient
dem Durchtritt der Welle 19 und der Halterung 18,
um den Grundkörper 16 zu
haltern. Letztere sind in 6 nicht
dargestellt.
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Das
Ableitblech 43 weist einen gefalzten Bereich 44 auf,
der sich in Richtung der Welle erstreckt.
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In 6 ist
weiterhin die Messsonde 36 eingezeichnet, die unmittelbar
unterhalb der Öffnung 46 angeordnet
ist und sich in dem Schacht 35 befindet.
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Im
Folgenden sollen nun die einzelnen Aspekte dieses erfindungsgemäßen Prüfstandes
nochmals erläutert
werden.
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Bei
der reinraumgerechten Konstruktion des Werkstoffprüfstands 10 wurden
folgende Aspekte berücksichtigt:
Komponenten
mit potenziell hohem Partikelemissionsniveau werden im Hinblick
auf die meist vorherrschende vertikale Verdrängungsströmung im Reinraum im unteren
Bereich des Prüfstands
platziert. Dazu zählen
der Motor 22, der Schaltschrank mit Kühler 23, und der optische
Partikelzähler 12 mit
Abluft.
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Bei
der Welle 19 und dem Riemenantrieb 21 ist eine
solche Anordnung nicht möglich.
Deshalb wird der entsprechende Bereich mit einer abgerundeten Haube 40 gekapselt
und zusätzlich
durch einen Lüfter 25 die
kontaminierte Umgebungsluft nach unten zum Unterboden des Gestells 28 hin
abgeführt. Die
beweglichen Elemente der Krafteinleitungseinheit 13 sind
ebenfalls gekapselt, ein in die Bodenplatte der Krafteinleitungseinheit 13 integrierter
Lüfter (nicht
dargestellt) sorgt für
die Abfuhr kontaminierter Luftvolumina.
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Die
Oberflächen
des Werkstoffprüfstands sind
alle gut abreinigbar; bei der konstruktiven Umsetzung wurden Hinterschneidungen
und Toträume soweit
wie möglich
vermieden.
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Dieser
reinraumtaugliche Werkstoffprüfstand bietet
die Möglichkeit,
Werkstoffpaarungen auf unterschiedliche Weise tribologisch zu belasten.
Durch die Variationsmöglichkeiten
können
Belastungen an realen Bauteilen zumindest näherungsweise simuliert werden.
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Im
Bereich der Kontaktstelle von Grundkörper 16 und Gegenkörper 17 unmittelbar
oberhalb des Messrohrs 36 wurde die Strömungsführung optimiert, sodass generierte
Partikel nicht durch Verwirbelungen einer Detektion entzogen werden.
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In
Reinräumen
mit laminarer Verdrängungsströmung wird
die hochreine Erstluft A durch die Filterdecke in den Raum eingebracht
und durch den Doppelboden abgezogen. Dabei verläuft die Strömung laminar (turbulenzfrei)
mit definierter Geschwindigkeit (0,4 bis 0,5 m/s) senkrecht nach
unten. Die Strömung
wird durch das Ablenkblech 43 zum Luftschacht 35 beschleunigt.
Parallel zu den Wänden des
Luftschachts 35 entsteht eine laminare Strömung D,
insbesondere im Bereich der Kontaktstelle. Durch die Länge des
Luftschachts 35 wird erreicht, dass auch an der unteren
Austrittsöffnung
noch eine laminare Luftströmung
C beobachtet werden kann.
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Für die horizontalen
Flächen
des Prüfstands wurden
Lochbleche 33 belegt, sodass auch hier Stauungen und Turbulenzen
minimiert werden. Die Lochbleche verhindern im Zusammenspiel mit
der laminaren Strömung
auch eine Diffusion kontaminierter Luft aus dem unteren Bereich
des Gestells 28 in die Umgebung der Messstelle. Eine vollständige laminare
Strömung
ist unterhalb der Lochbleche jedoch nicht mehr gewährleistet.
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Zur
Vermeidung von Agglomerationen einzelner Partikel aufgrund elektrostatischer
Effekte (ESD-Effekte) wurde der Werkstoffprüfstand 10 durchgehend
ableitend konzipiert (Verwendung von leitfähigen Werkstoffen, Standfüßen, etc.).
Auch ist eine Erdung der modularen Komponenten gewährleistet.
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Oberhalb
des Werkstoffprüfstands
wurden Ionisationsspitzen (nicht dargestellt) angebracht. Diese
generieren geladene Luftionen, die durch die vertikale Luftströmung A im
Reinraum nach unten bewegt werden und am Prüfstand 10 entstehende Oberflächenladungen
neutralisieren.
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Die
konstruktive Umsetzung erlaubt es, zur echtzeitgetreuen Erfassung
der bei der tribologischen Belastung entstehenden Partikel unterschiedliche
Partikelzähler 12 einzusetzen.
Dadurch können in
Abhängigkeit
von dem beobachteten Partikelaufkommen gezielt Partikelzähler mit
geeigneter Größenklassenauflösung verwendet
werden. Beispielsweise können
bei Werkstoffpaarungen, deren Partikel zur Agglomeration neigen,
Partikelzähler
mit einer Auflösung
größerer Partikel
(etwa die geometrischen Partikelgrößenkanäle von 0,7 μm/5,0 μm/10 μm und 25 μm) genutzt werden, um gegebenenfalls Aufschluss über die
Stärke
der Agglomeratbildungen im Versuch zu erhalten.
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Hier
besteht auch die Möglichkeit,
den potenziellen Einsatzort der Werkstoffpaarung 16, 17 zu
berücksichtigen.
Die Halbleiterindustrie hat mit einem kritischen Partikeldurchmesser
von deutlich unter 1 μm
die derzeit höchsten
Anforderungen hinsichtlich partikulärer Kontaminationen. Bei der
Untersuchung relevanter Werkstoffpaarungen können entsprechend Geräte mit einer
besseren Auflösung
kleiner Partikel (z. B. 0,1/0,2/0,3 μm) zur Anwendung kommen.
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Die
Zufuhr des Probenvolumens an den optischen Partikelzähler 12 erfolgt über den
Probennameschlauch 37, der im Messschacht 35 an
das Messrohr 36 angeschlossen wird. Das Messrohr 36 ist
im 45°-Winkel
ange fasst, wodurch eine höhere Zähleffizienz
erreicht wird.
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Die
Erfassung der Partikelemissionswerte erfolgt während der tribologischen Belastung
der Werkstoffpaarung kontinuierlich und mit festem zeitlichem Messintervall.
Die Datenreihe gibt Aufschluss über
die Entwicklung der Partikelemission über die gesamte Versuchsdauer.
Die Daten liegen im Hinblick auf die untersuchten Größenkanäle in kumulativer
Form vor, d. h. die für
einen Größenkanal
angezeigte Anzahl an Partikeln schließt alle Partikel ein, die gleich
groß oder
größer als
die dem Kanal zugeordnete Partikelgröße ist (Beispiel: Die für den Größenkanal
0,2 μm angegebenen
Werte umfassen alle Partikel mit einem Durchmesser ≥ 0,2 μm, also insbesondere
auch die Partikel, die im Größenkanal
0,3 μm angezeigt
werden). Diese Darstellungsweise hat sich in der Reinraumtechnik
und Partikelmesstechnik etabliert.
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Aus
den erhaltenen Daten können
dann Kenngrößen abgeleitet
werden, die zur Charakterisierung der Werkstoffpaarung hinsichtlich
ihres Partikelemissionsverhaltens bei definierter tribologischer Belastung
dienen können.
Hierzu werden drei Ansätze
verfolgt:
Es werden die Anteile der einzelnen untersuchten Größenkanäle an der
Gesamtzahl emittierter Partikel (Zahl der Partikel, die gleich groß oder größer als
die kleinsten mit dem Gerät
detektierbaren Partikel sind) untersucht. Die Untersuchung erfolgt
für den
gesamten Versuchsablauf, so dass gegebenenfalls Änderungen bei den Anteilswerten
beobachtet werden können.
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Um
Fehlinterpretationen der Werte zu vermeiden, wird als Berechnungsgrundlage
für jeden Anteilswert
eine bestimmte Mindestgesamtzahl an Partikeln gefordert. Dazu werden
die einzelnen Messwerte so weit aufsummiert, dass diese Mindestgesamtzahl
an Partikeln gerade erreicht wird. Die Anteilswerte liegen entsprechend
nicht zwingend für
jeden Messwert vor, das resultierende Intervall der berechneten
Anteilswerte ist z. T. nicht einheitlich und kann vom Messintervall
abweichen.
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Es
wird eine Charakterisierung des Verlaufes der Partikelemission über die
Versuchsdauer vorgenommen. Dabei werden die Partikelmesswerte zunächst einer
mathematischen Integration unterworfen, d. h. die Partikelwerte
werden über
die Versuchsdauer hin aufsummiert. Die erhaltenen Werte geben entsprechend
an, wie viele Partikel während
des Versuchs insgesamt bis zu diesem Messwert emittiert wurden.
Die erhaltenen Kurven entsprechen von der Art dem mathematischen
Modell des exponentiellen Wachstums. Mit Hilfe einer nichtlinearen
Regression können
Regressionskurven erstellt werden, die in der Regel in ausreichender
Genauigkeit den Verlauf der Partikelemissionskurve wiedergeben.
Diese Regressionskurven können
unter Berücksichtigung
des mathematischen Ansatzes y = a·ebx (Exponentialkurve) mittels
der Parameter a und b eindeutig beschrieben werden und können für die Charakterisierung
der der Regressionskurve zugrunde liegenden Partikelemissionskurve
verwendet werden. Die Gegenüberstellung
unterschiedlicher Werkstoffpaarungen 16, 17 im Hinblick
auf ihr Partikelemissionsverhalten wird dadurch erheblich erleichtert.
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Es
wird eine Klassifizierung der Werkstoffpaarungen bezüglich ihres
Partikelemissionsverhaltens durchgeführt. Grundlage der Klassifizierung
ist die Gesamtzahl der während
der tribologischen Belastung emittierten Partikel, wobei die untersuchten Größenkanäle berücksichtigt
werden. In Anlehnung an das in der DIN EN ISO 14644-1 dargelegte
Verfahren zur Bestimmung der zulässigen
Partikelkonzentration unterschiedlicher Luftreinheitsklassen werden
unter Berücksichtigung
der Versuchsbedingungen Grenzwerte für die angegebenen Größenklassen
ermittelt. Der Grenzwert ergibt sich dabei aus dem während des
Versuchs untersuchten Luftvolumens (Versuchsdauer multipliziert
mit dem konstanten Volumenstrom des Partikelzählers von 28,3 l/min) und den
für die
jeweilige Luftreinheitsklassen und Größenkanal angegebenen zulässigen Partikelkonzentrationen
(Partikel/m3). Der Vergleich dieser Grenzwerte
mit den Gesamtzahlen emittierter Partikel ergibt die Klassifizierung
der Werkstoffpaarung.
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Zusammenfassend
lässt sich
feststellen, dass durch den erfindungsgemäßen Prüfstand tribologische Vorgehensweisen
für die
Beurteilung der Reinraumtauglichkeit einer untersuchten Werkstoffpaarung
erschlossen werden. Die Messgröße „Partikelemission" ist erstmals bei
tribologischen Untersuchungen zugänglich, d. h. quantitativ und
in Echtzeit erfassbar. Auch die Größenverteilung der emittierten Partikel
kann bestimmt werden. Dies alles setzt jedoch das erfindungsgemäße reinraumgerechte
Design des Prüfstandes,
insbesondere die strömungstechnische
Optimierung im Kontaktbereich der Werkstoffpaarung als Ort der Partikelgenerierung,
voraus.