Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen

Die vorliegende Arbeit beinhaltet Realisierungsmoglichkeiten des konstruktiven Aufbaus von Funfachs-Nanopositionier-und Nanomessmaschinen fur die Messung und Fabrikation makroskopischer Objekte mit Nanometerprazision. Mit zusatzlichen rotatorischen Freiheiten wird die Limitierung etablierter, uberwiegend kartesisch operierender Nanopositionier-und Nanomessmaschinen (NPMM) hinsichtlich der Adressierbarkeit stark gekrummter Objektgeometrien uberwunden. Es werden modular variierte Maschinenkonzepte im Hinblick auf die Realisierung mehrachsiger Bewegungen und unter der Voraussetzung der Erweiterbarkeit kartesischer NPMMs systematisch entwickelt und auf der Grundlage eines Klassifzierungssystems evaluiert. Ein hohes Potential zeigen Varianten mit drei unabhangigen linearen Bewegungen des Objektes in Kombination mit zwei unabhangigen Rotationen des Tools um einen gemeinsamen Momentanpol, der dauerhaft mit dem Arbeitspunkt des Tools (TCP) und dem Abbepunkt der kartesischen NPMM ubereinstimmt. Insbesondere die Rotation des Tools um die Hochachse der NPMM mittels Drehtisch in Kombination mit einer Rotation in der horizontalen xy-Ebene unter Verwendung eines Goniometers zeigen einen hohen Erfullungsgrad. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wird ein derartiger Aufbau innerhalb einer NPMM erprobt, der die Rotationen eines Tools mit einer Masse < 2 kg gewahrleistet. Eine asymmetrische Anordnung des Goniometers entlang dessen Hauptdrehachse erlaubt den Einsatz von Tools, deren Gestalt das Arbeitsvolumen des Goniometers uberschreitet. Es sind Rotationsbereiche des Tools von 360° um die Hochachse der NPMM und Neigungen zur Hochachse von 90° moglich. Die Integration ultrapraziser Rotationseinheiten in die NPMM erfolgt unter Zuhilfenahme finite Elemente gestutzter Modellbildung und daraus abgeleiteter Strukturoptimierung der Koppelstellen. Unter Anwendung von Laserinterferometern in Kombination mit einem geeigneten Retroreflektor im TCP werden Einfusse der zusatzlichen rotatorischen Positioniersysteme, wie Verformungen und Positionierwiederholbarkeiten, in der NPMM in situ gemessen. Wie beispielhaft mit der Anwendung eines entwickelten Nanoimprinttools gezeigt, erlauben die erreichten Positioniereigenschaften eine Adressierung und Bearbeitung dreidimensionaler Korper mit stark gekrummter Oberfache. Ein entwickelter neuartiger Aufbau der Gesamtstruktur, bei dem fur die kombinierte Messung der Positionierabweichungen Fabry-Perot-Interferometer zur Anwendung kommen, gewahrleistet den Einbezug der Rotationen in den geschlossenen Regelkreis, wodurch die Mess-und Bearbeitungsgenauigkeit erhoht und die Prozesszeit verkurzt werden. Die Interferometer erfassen die Positionierabweichungen gegenuber einem halbkugelformigen Konkavspiegel, der mit dem metrologischen Rahmen der NPMM direkt verbunden ist. Abschliesend werden Konstruktionsrichtlinien fur die Entwicklung von Funfachs-Nanopositionier-und Nanomessmaschinen zusammengefasst.