DE102018101966A1

DE102018101966A1 - Vakuumkammer und Verfahren zur Herstellung einer Vakuumkammer

Info

Publication number: DE102018101966A1
Application number: DE102018101966.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Müller; Michael Wüstrich; Erik Ansorge
Original assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2019-08-01
Also published as: WO2019149315A1; CN210423307U; CN110094396A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumkammer oder Teil einer Vakuumkammer mit mehren die Vakuumkammer ausbildenden Komponenten, insbesondere Kammerwänden und Anschlussflanschen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der Vakuumkammer sowie Verfahren zur Aufbereitung der Vakuumkammer. Die Aufgabe der Erfindung besteht im Aufzeigen einer kostengünstig herstellbaren Vakuumkammer und eines Verfahrens zum Herstellen der Vakuumkammer. Die Aufgabe wird durch eine Vakuumkammer gelöst, welche eine wenigstens zwei Komponenten der Vakuumkammer verbindende Klebverbindung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumkammer oder Teil einer Vakuumkammer mit mehren die Vakuumkammer ausbildenden Komponenten, insbesondere Kammerwänden und Anschlussflanschen, ein Verfahren zur Herstellung der Vakuumkammer sowie Verfahren zur Aufbereitung der Vakuumkammer.
Vakuumkammern haben vielfältige Anwendungen in Forschung und Industrie. In den Vakuumkammern kann ein Vakuum oder eine saubere Gasfüllung bereitgestellt werden, sodass dann innerhalb der Vakuumkammer beispielsweise ein Analyseverfahren oder ein Herstellungsverfahren ausgeführt werden kann.
Vakuumkammern werden im Stand der Technik teilweise aus einem Stück hergestellt. Beispielsweise wird aus einem Aluminiumblock durch Fräsen eine Vertiefung erzeugt, die später als Kammervolumen einer Vakuumkammer dient. Ein Nachteil eines solchen Herstellungsverfahrens ist eine schlechte Ausnutzung des Aluminium-Rohmaterials. Für die Herstellung von großen Vakuumkammern mit Abmessungen größer als ein Meter werden entsprechend große und teure Portalfräsmaschinen benötigt. Aus einer begrenzten Verfügbarkeit solcher Fräsmaschinen können Lieferengpässe von Vakuumkammern bzw. gefrästen Teilen einer Vakuumkammer resultieren.
Zur Herstellung von Vakuumkammern werden im Stand der Technik teilweise Schweißverfahren eingesetzt, um einzelne Wände zu einer Kammer zu fügen oder um Rohre in Löchern von Wänden zu befestigen. Ein Nachteil beim Schweißen ist ein dabei entstehender Verzug der miteinander verschweißten Teile, der eine Nachbearbeitung erforderlich macht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht im Aufzeigen einer kostengünstig herstellbaren Vakuumkammer und eines Verfahrens zum Herstellen der Vakuumkammer.
Die Aufgabe wird durch eine Vakuumkammer gelöst, welche eine wenigstens zwei Komponenten der Vakuumkammer verbindende Klebverbindung aufweist. Die erfindungsgemäße Vakuumkammer weist also eine oder mehrere Klebverbindungen auf, mit denen beispielsweise mehrere einzelne Kammerwände zu einem offenen Kammerbehälter verbunden sind. Der offene Kammerbehälter ist von einem Kammerdeckel verschließbar, wobei aus einem Teil einer Vakuumkammer eine komplette Vakuumkammer ausgebildet wird. Die Klebverbindung kann auch ein Rohr oder einen Flansch mit einer passenden Bohrung in einer Kammerwand verbinden. Die Klebverbindung wird unter Verwendung eines Klebers hergestellt. Dabei erfolgt das Aufbringen und Aushärten des Klebers oft bei so geringen Temperaturen, dass die miteinander verklebten Komponenten präzise positioniert werden und die Komponenten beim Fügen ihre Ausgangsform beibehalten und nicht verziehen. Im Gegensatz zu verschweißten Komponenten ist bei verklebten Komponenten weniger oder gar keine Nachbearbeitung erforderlich. Bei verschweißten Komponenten kann hingegen eine Nachbearbeitung beispielsweise durch Richten, Fräsen oder Beizen erforderlich sein. Gegenüber der Herstellung einer Vakuumkammer aus einem Metallblock wird für die Herstellung der geklebten Vakuumkammer viel weniger Ausgangsmaterial benötigt. Die einzelnen Komponenten einer geklebten Vakuumkammer, beispielsweise fünf im Wesentlichen ebene untere Wände einer quaderförmigen Vakuumkammer, sind einfach herstellbar. Einzelne Wände benötigen viel weniger Lagerraum als ganze Vakuumkammern. Die Komponenten der erfindungsgemäßen Vakuumkammern können in verschiedenen Größen hergestellt und raumsparend gelagert werden. Dadurch können erfindungsgemäße Vakuumkammern modular mit verschiedenen, klein abgestuften Rastermaßen gefertigt und angeboten werden. Wenn Aluminiumkomponenten verklebt statt verschraubt werden, dann kann durch die Klebverbindung auch das problematischen Kriechen von Schraubverbindungen in Aluminium umgangen werden. Geklebte Kammern können mit einfachen und kostengünstigen Werkzeugen schnell hergestellt werden. Im Stand der Technik war der Einsatz von Klebern bei der Herstellung von Vakuumkammern verboten, weil Kleber als nicht vakuumtauglich galten, beispielsweise weil Kunststoff-Klebern zu große Permeationsraten zugeschrieben wurden. Durch die Verwendung geeigneter Kleber, kleine Klebverbindungsquerschnitte und geeignet konstruierte Klebflächen können überraschenderweise doch ausreichend dichte Vakuumkammern hergestellt werden. Teilweise werden die Klebverbindungen auch zur Herstellung einer Struktur, beispielsweise eines Kühlkanals an der Außenseite einer Kammerwand genutzt, dort ist die Vakuumdichtheit irrrelevant.
Die Kontaktflächen an der Klebverbindung einer Vakuumkammer bzw. eines Teils davon können so konstruiert sein, dass die größten auf die Klebverbindung einwirkenden Kräfte Druckkräfte sind. Typische auf Wände einer Vakuumkammer wirkende Kräfte sind atmosphärische Druckkräfte, die die Wände in Richtung des evakuierten Kammerinneren drücken. Die Klebflächen bzw. Teile der Klebflächen können dabei eine Ausrichtung haben, bei der die Kontaktflächen zusammengedrückt also auf Druck belastet werden. Beispielsweise haben die Klebflächen eine Stufenform und wenigstens ein Abschnitt der Stufenform wird von atmosphärischem Druck mit einer Druckkraft belastet.
Die Kontaktflächen an der Klebverbindung können eine Rauheit besitzen, insbesondere eine Rauheit Rz 16. Die Rauheit gibt dem Klebstoff Halt. Positive Ergebnisse wurden mit einer Rauheit Rz 16 gemacht, bei der die mittlere Rautiefe in Richtung der Oberflächennormalen 16 µm beträgt. Diese Rauheit ist ein guter Kompromiss zwischen einer guten Haftung einerseits und einer vollständigen Füllung von Vertiefungen mit dem Kleber andererseits. Die Vermeidung von ungefüllen Hohlräumen an den Klebflächen ist zur Erreichung kleiner Leckraten wünschenswert. Die Bestimmung anderer geeigneter, größerer oder kleinerer an den jeweiligen Kleber angepassten Rauheiten liegt im Ermessen eines Fachmanns.
Die miteinander verklebten Komponenten können aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen, insbesondere aus Stahl und/oder aus Aluminium. Vakuumkammern werden in der Regel aus einem rostfreien Stahl oder aus Aluminium hergestellt. Es können Komponenten aus unterschiedlichen Materialien miteinander verklebt werden, beispielsweise mehrere Stahlkomponenten oder mehrere Aluminiumkomponenten. Die erfindungsgemäße Vakuumkammer kann darüber hinaus aus verschiedenen Materialien bestehende, miteinander verklebte Komponenten aufweisen. Beispielsweise kann eine Aluminiumkammer eingeklebte Stahlflansche aufweisen.
Als Kleber kann das Produkt Loctite 9497 zum Einsatz kommen, des von der Firma Henkel kommerziell angeboten wird. Bei diesem Kleber handelt es sich um einen Zweikomponenten-Epoxidharzkleber. Darüber hinaus können andere geeignete Kleber eingesetzt werden, sowohl andere Kunststoffkleber als auch andere Klebertypen, beispielsweise Keramikkleber. Weiter kann der Kleber Additive enthalten, die die chemischen, mechanischen oder elektrischen Eigenschaften des Klebers beeinflussen. Beispielsweise können in den Kleber Metallpartikel eingebettet sein, um die elektrische Leitfähigkeit des Klebers zu erhöhen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn in der Kammer ein elektromagnetische Wellen einsetzender Plasmaprozess durchgeführt wird. Bei einem solchen Prozess besteht an die Klebverbindung nicht nur die Anforderung, vakuumdicht zu sein, sondern auch die Anforderung, die elektromagnetische Energie in der Kammer einzuschließen. Eine Maßnahme zur Erreichung dieses Ziels kann sein, dass die Länge der Klebverbindung entlang des Querschnitts länger als ein Viertel der Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Wellen ist. Die Leitfähigkeit des Klebers kann zur leitfähigen Verbindung einzelner Komponenten benutzt werden, sodass die elektrischen Potentiale an den einzelnen Komponenten der Vakuumkammer definiert sind.
Die Klebverbindung der erfindungsgemäßen Vakuumkammer oder eines Teils derselben erstreckt sich in einer Ausgestaltung der Erfindung im Wesentlichen von einer an atmosphärischem Druck vorgesehenen Außenseite der Vakuumkammer bis zu einer bei Vakuumdruck vorgesehenen Innenseite der Vakuumkammer. In diesem Fall erstreckt sich die Klebverbindung quer durch die gesamte Wand der Vakuumkammer und ist somit selbst ein Teil der Wand.
In einer anderen Ausgestaltung ist die Klebverbindung der Vakuumkammer zur Ausbildung eines Kühlkanals eingesetzt, indem die Klebverbindung eine Nut-Abdeckung zum Verschließen einer Nut am Rand der Nut befestigt oder indem ein Kühlschlauch in eine Nut eingepresst ist oder indem die Klebverbindung ein offenes Hohlprofil auf einer Fläche befestigt.
Verschiedene Anwendungsfelder von Klebverbindungen können miteinander kombiniert werden. Die Herstellung von Kühlkanälen mit Klebverbindungen ersetzt die Herstellung von Kühlkanälen durch Tieflochbohrungen in das Volumen von Kammerwänden. Bei der Herstellung von Kühlkanälen durch Fräsen einer Nut z.B. in eine Kammerwand und Verschließen der Nut durch eine aufgeklebte Nut-Abdeckung können verschiedene, beispielsweise mäanderförmige Geometrien präzise und mit geringen Kosten hergestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vakuumkammer oder eines Teiles davon gelöst, wobei die Vakuumkammer durch Verkleben von wenigstens zwei Komponenten unter Ausbildung wenigstens einer Klebverbindung hergestellt wird.
Kleben ist ein kostengünstiges Fertigungsverfahren, das in anderen Technikbereichen wie dem Fahrzeugbau oder dem Flugzeugbau Einzug fand und dort wegen seiner Vorteile andere Fügeverfahren ersetzt hat. Die vorliegende Erfindung bricht mit dem Vorurteil, dass geklebte Verbindungen bei der Herstellung von Vakuumkammern unbrauchbar sind. Weiter wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Aufbereitung einer erfindungsgemäßen Vakuumkammer gelöst, wobei das Verfahren einen Verfahrensteilschritt des Lösens der Klebverbindung durch Aufheizen derselben aufweist und/oder das Verfahren einen Verfahrensteilschritt des Wiederherstellens einer Klebverbindung aufweist. Klebverbindungen, beispielsweise solche, die unter Verwendung von Epoxidharzklebern hergestellt sind, können durch Erwärmung der Klebverbindung über eine Erweichungstemperatur gelöst werden. Diese Eigenschaft von Klebverbindungen kann genutzt werden, beispielsweise um eine geklebte schadhafte Komponente der Vakuumkammer, beispielswese einen beschädigten Flansch, durch eine unbeschädigte auszutauschen und damit die Vakuumkammer zu reparieren.
Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden anhand von Figuren weiter veranschaulicht werden. Dabei zeigen

1 eine dreidimensionale Ansicht einer Vakuumkammer,
2 eine Draufsicht auf einen Teil der Vakuumkammer,
3 einen vertikalen Querschnitt eines Teiles einer Vakuumkammer,
4 eine dreidimensionale Ansicht einer Vakuumkammer mit Kühlkanälen,
5 eine dreidimensionale Ansicht auf den Boden einer Vakuumkammer und
6 den Querschnitt durch einen Kammerdeckel mit eingeklebtem Flansch.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vakuumkammer 1, bei der die unteren fünf Kammerwände 2 durch Klebverbindungen 4 miteinander verbunden sind. Die sechste Kammerwand, der lösbare Deckel 10, schließt die Vakuumkammer 1 unter Verwendung einer Dichtung. Mit Klebverbindungen 4 können nicht nur Kammerwände 2 miteinander verbunden werden, sondern auch andere Komponenten, beispielsweise Flansche 3 an einer Kammerwand 2. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den unterschiedlichen Figuren gleiche oder ähnliche Gegenstände. Die Ausführungen bei einer Figur sind bei gebührender Beachtung der Unterschiede auch für die anderen Figuren zutreffend.
In 2 ist die Vakuumkammer von 1 schematisch ohne Anbaukomponenten bei abgenommenem Deckel in einer Draufsicht auf die miteinander verklebten Seitenwände der Vakuumkammer 1 dargestellt. Die außen sichtbaren Kammerwände 2 weisen seitlich jeweils eine stufenförmig zu der benachbarten Kammerwand 2 komplementär geformte Klebfläche auf. Dort ist jeweils durch Einsatz eines Klebers eine Klebverbindung 4 ausgebildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Klebfläche jeweils einen stufenförmigen Verlauf. Bei einer Krafteinwirkung von atmosphärischem Luftdruck auf die Kammerwände 2 werden ein oder zwei Abschnitte der Treppenform durch Druckkräfte belastet, diese überwiegen die Schälkräfte auf die Klebverbindung 4. Schälkräfte werden durch die konstruktive Ausbildung der Klebenut so gering, wie möglich gehalten. 3 zeigt die geöffnete Vakuumkammer 1 schematisch in einem vertikalen Querschnitt. In dieser Ansicht ist die stufenförmige Form der Klebflächen 4 zwischen der Bodenplatte und den Seitenwänden der Vakuumkammer 1 ersichtlich. Die jeweils zwei horizontalen Abschnitte der Stufenform dieser Klebflächen werden durch die Gewichtskräfte der Seitenwände mit Druckkräften belastet. Der atmosphärische Außendruck drückt die Seitenwände gegen den mittleren vertikalen Abschnitt der stufenförmigen Klebfläche. Insgesamt werden diese Klebflächen folglich hauptsächlich mit Druckkräften belastet.
4 veranschaulicht schematisch weitere Anwendungen von Klebverbindungen. Bei der erfindungsgemäßen Vakuumkammer 1' sind nicht nur die Seitenwände und die Bodenplatte miteinander verklebt. Zusätzlich weist der Deckel der Vakuumkammer 1' einen Kühlkanal 5 auf, welcher durch Aufkleben einer Nut-Abdeckung 6 auf eine Nut hergestellt ist. In der vorn rechts dargestellten Seitenwand ist die Nut ein Kühlschlauch 7 eingepresst. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Kühlschlauch 7 um einen Edelstahlwellschlauch, der beim Einpressen in die Nut plastisch deformiert und dadurch zumindest teilweise befestigt wird. Hohlräume können durch Wärmeleitpaste ausgefüllt werden. An der anderen, vorn links dargestellten Seitenwand ist eine weitere Möglichkeit der Ausbildung von Kühl- bzw. Temperierkanälen veranschaulicht. An dieser Stelle ist ein Kühlkanal 5 durch Aufkleben von U-förmigen Profilabschnitten eines offenen Hohlprofils 8 auf die planare Seitenwand hergestellt.
Die vorgestellten Optionen und Ausführungsbeispiele der Erfindung können im Ermessen eines Fachmanns auch anders, als hier explizit ausgeführt ist, miteinander kombiniert werden. Zufällig nacheinander beschriebene Merkmale dürfen nicht als zwingende Merkmalkombination missverstanden werden.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Vakuumkammer 1' von unten gezeigt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel Kühlkanäle 5 mit eingepressten Kühlschläuchen 7 aufweist. Außerdem sind in dieser Ansicht an den Kammerboden angeklebte Füße 9 sichtbar.
6 zeigt den Querschnitt durch den Deckel 10 einer Vakuumkammer 1, 1', in den ein Flansch 3 mit einer Klebverbindung 4 eingeklebt ist.
Bezugszeichenliste

1, 1': Vakuumkammer
2: Kammerwand
3: Flansch
4: Klebverbindung
5: Kühlkanal
6: Nut-Abdeckung
7: in Nut eingepresster Kühlschlauch
8: offenes Hohlprofil
9: Fuß
10: Deckel

Claims

Vakuumkammer (1, 1') oder Teil einer Vakuumkammer (1, 1') mit mehren die Vakuumkammer (1, 1') ausbildenden Komponenten, insbesondere Kammerwänden (2) und/oder wenigstens einem Flansch (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1, 1') eine wenigstens zwei Komponenten der Vakuumkammer (1, 1') verbindende Klebverbindung (4) aufweist.
Vakuumkammer (1, 1') oder Teil einer Vakuumkammer (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen an der Klebverbindung (4) so konstruiert sind, dass die größten auf die Klebverbindung (4) einwirkenden Kräfte Druckkräfte sind oder dass die auf wenigstens einen Stufenabschnitt einer stufenförmigen Klebverbindung einwirkenden Kräfte Druckkräfte sind.
Vakuumkammer (1, 1') oder Teil einer Vakuumkammer (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen eine Rauheit besitzen, insbesondere eine Rauheit Rz 16.
Vakuumkammer (1, 1') oder Teil einer Vakuumkammer (1, 1') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verklebten Komponenten aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen, insbesondere aus Stahl und/oder aus Aluminium.
Vakuumkammer (1, 1') oder Teil einer Vakuumkammer (1, 1') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kleber das Produkt Loctite 9497 verwendet ist.
Vakuumkammer (1, 1') oder Teil einer Vakuumkammer (1, 1') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber Additive enthält, die die chemischen, mechanischen oder elektrischen Eigenschaften des Klebers beeinflussen.
Vakuumkammer (1, 1') oder Teil einer Vakuumkammer (1, 1') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Klebverbindung (4) im Wesentlichen von einer an atmosphärischem Druck vorgesehenen Außenseite der Vakuumkammer (1, 1') bis zu einer bei Vakuumdruck vorgesehenen Innenseite der jeweiligen Komponente der Vakuumkammer (1, 1') erstreckt.
Vakuumkammer (1, 1') oder Teil einer Vakuumkammer (1, 1') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebverbindung (4) zur Ausbildung eines Kühlkanals (5) eingesetzt ist, indem die Klebverbindung (4) eine Nut-Abdeckung (6) zum Verschließen einer Nut am Rand der Nut befestigt oder indem ein Kühlschlauch (7) in eine Nut eingepresst ist oder indem die Klebverbindung (4) ein offenes Hohlprofil (8) auf einer Fläche befestigt.
Verfahren zur Herstellung einer Vakuumkammer (1, 1') oder eines Teiles einer Vakuumkammer (1, 1'), dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1, 1') Eigenschaften nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist und durch Verkleben von wenigstens zwei Komponenten unter Ausbildung wenigstens einer Klebverbindung (4) hergestellt wird.
Verfahren zur Aufbereitung einer Vakuumkammer (1, 1'), dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1, 1') Eigenschaften nach wenigstens einem der Ansprüche 1-8 aufweist und das Verfahren einen Verfahrensteilschritt des Lösens der Klebverbindung (4) durch Aufheizen derselben aufweist, und/oder das Verfahren einen Verfahrensteilschritt des Wiederherstellens einer Klebverbindung (4) aufweist.