Wie Seismion die Performance des Reactio-Schwingungsisolators mithilfe multi-physics Rechenmodelle und der Transmissibilitätskurven optimiert

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Die Transmissibilität ist die wohl wichtigste Eigenschaft von Schwingungsisolatoren. Sie ist als das Verhältnis der Schwingamplituden auf der isolierten Plattform zu den Amplituden der Bodenanregung definiert.

Basierend auf den mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit, Dämpfung und Masse auf dem Isolator sowie der Empfindlichkeit der Sensoren, der Aktorkonstante und des Übertragungsverhaltens der Regelung haben wir multi-physics Computermodelle erstellt, mit denen wir für einen gegebenen Parametersatz die Transmissibilität eines Isolators berechnen können. Dies ist ein wichtiger Bestandteil in der Entwicklung und Konstruktion unserer Schwingungstechnik-Produkte, der es uns ermöglicht, Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Teilsystemen herauszufinden, Stabilitätsgrenzen zu bestimmen, Parameterstudien durchzuführen und Optimierungen des Gesamtsystems vorzunehmen, noch bevor wir den Isolator überhaupt aufgebaut haben.

Mit Hilfe dieser Modelle können wir die Transmissibilitäten sogar nach den Bedürfnissen des Endverbrauchers und seiner Anwendung variieren. Abhängig von den spezifischen Anforderungen benötigen einige Anwendungen möglicherweise bereits im sehr niedrigen Frequenzbereich bei 1-2 Hz eine möglichst starke Isolierung, während andere Anwendungen stattdessen eher im Bereich um 10-100 Hz maximale Isolierung erwarten. Aufgrund der grundsätzlichen Stabilitätsgrenzen rückgekoppelter Regelsysteme können oftmals nicht alle Kriterien gleichzeitig maximiert werden. Die auftretenden Zielkonflikte können idealerweise mittels unsere Computermodelle gelöst werden können.

Neben dem linearen Modellverhalten müssen jedoch noch einige weitere Einflüsse betrachtet werden. Mit vergleichsweise einfachen linearen Modellen wäre die berechnete Transmissibilität für einen gegebenen Schwingungsisolator immer gleich, unabhängig von der Art der Schwingungsanregung. Bei realen Messungen eines Schwingungsisolators stellt man jedoch fest, dass dies nicht unbedingt, oder nur in Grenzen gegeben ist.

Leicht nachvollziehbar ist der Einfluss der maximalen Aktorkräfte, die der Schwingungsisolator erzeugen kann. Aufgrund der Limits in der elektronischen Regelung und des Aktuators selbst ist jedes aktive System in gewissem Maße begrenzt. Bei starken Anregungen ist die Regelung gesättigt und die erzeugte Regelkraft wächst nicht mehr linear mit der Anregung. Dadurch wird die Isolationsleistung reduziert.

Andererseits sind auch sehr kleine Anregungen eine Herausforderung für Schwingungsisolatoren. Jede Elektronik und sogar die piezoelektrischen Sensoren weisen ein gewisses Rauschen auf. Dieses Rauschen führt dazu, dass die Aktoren einen rauschförmigen Kraftverlauf in die zu isolierende Plattform einleiten, die daraufhin – mit sehr geringen Amplituden – tatsächlich mechanisch schwingt. Unter normalen Umständen sind diese Schwingungen so klein, dass sie unbedenklich sind, bzw. in den meisten Fällen nicht einmal detektiert werden können.

Aber Anwendungen mit extrem hohen Isolationsanforderungen werden typischerweise bereits in einer sehr vibrationsfreien Umgebung platziert, und in diesem Fall verschlechtert sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit auch das Isolationsverhalten. Tatsächlich bestimmt das Rauschen im Regelkreis das niedrigst-mögliche Schwingungsspektrum, die der Isolator erfüllen kann.

Seismion Reactio Schwingungsisolatoren wurden speziell unter Berücksichtigung dieser Anforderungen entwickelt. Unsere Sensoren werden im eigenen Haus entwickelt und bieten die sehr hohe Empfindlichkeit, die wir benötigen. Die Elektronik-Komponenten der Regelung wurde auch im Hinblick auf deren Rauschverhalten ausgewählt, so dass unsere Isolatoren als Ergebnis ein außergewöhnlich gutes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen.

Dies lässt sich am einfachsten anhand der Vibration Criteria-Kurven (VC-Kurven) nachweisen, die der Seismion Reactio realisieren kann. Nach unseren Messungen wird VC-F bereits ab 1 Hz und VC-G bereits ab 2 Hz erfüllt. Diese Schwingungskriterien sind extrem herausfordernd und werden derzeit nicht einmal als Konstruktionskriterium verwendet, da es derzeit kaum Anwendungen mit derart hohen ANforderungen gibt. VC-E ist tatsächlich das Auslegungskriterium für die anspruchsvollsten empfindlichen Geräte wie etwa Elektronenstrahl-Lithographie im Nanometerbereich, die unser Seismion Reactio-Isolator problemlos erfüllt.

Gemessene Vibration Criteria-Kurve des Seismion Reactio

Zu beachten ist, dass auch passive Isolatoren wie Luftfedern bei niedrigen Anregungswerten eine deutlich geringere Isolationswirkung (oder gar keine Isolation) aufweisen, da sich die Luftfedern bei kleinen Schwingungsamplituden nicht mehr elastisch verformen.

Hinsichtlich der Maximalkräfte sind die Seismion Reactio höher als die meisten Konkurrenzprodukte, sodass sie auch starke Störungen isolieren können.

Neben der Computeroptimierung müssen auch komplexe Systeme wie aktive Schwingungsisolatoren gründlich getestet werden. Dies wird im nächsten Blogeintrag thematisiert.

Die Vorteile aktiver Schwingungsisolatoren gegenüber Luftfedersystemen

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Passive Schwingungsisolatoren sind weithin bekannt und werden in verschiedensten Bereichen der Industrie verwendet. Sie können einfach als Gummiblock oder Gummi-Metall-Teile aufgebaut sein. Oder sie basieren auf Luftfederisolatoren. In beiden Fällen beruht die Isolationsleistung auf einer weichen und elastischen Verbindung zwischen dem schwingenden Untergrund und der isolierten Deckplatte, wordurch Störungen stark abgeschwächt werden.

Solche Systeme weisen jedoch alle eine deutliche Resonanz auf, in der sie die unerwünschten Schwingungen verstärken, anstatt sie zu reduzieren. Eigentliche Isolation tritt erst in einem höheren Frequenzbereich auf, nämlich oberhalb des 1.41-Fachem der Resonanzfrequenz. Daher ist eines der wichtigsten Konstruktionskriterien eine möglichst niedrige Resonanzfrequenz. Während Gummielemente Resonanzen im Bereich von 8 Hz und höher haben, können moderne Luftfederisolatoren bis auf 2,5 Hz herunterkommen. Aktive Schwingungsisolatoren wie Seismion Reactio weisen jedoch Resonanzen weit unter 1 Hz auf. Die Auswirkung einer so niedrigen Resonanzfrequenz ist in der folgenden Abbildung zu erkennen. Aufgrund der zu tieferen Frequenzen verschobenen Resonanz ist die Isolationsleistung der Seismion Reactio um den Faktor 7 bis 37 höher als bei Luftfedersystemen!

Höhere Isolationsperformance von aktiven Reactio Isolatoren gegenüber Luftfedersystemen


Ein weiterer wichtiger Vorteil aktiver Isolatoren ist der Umstand, dass sie das System tatsächlich stabilisieren und nicht nur gegen den Untergrund isolieren. Passive Luftfedersysteme schwingen aufgrund der weichen und schwach gedämpften Anbindung zum Untergrund lange Zeit nach. Im Gegensatz dazu stoppen aktive Seismion Reactio Isolatoren die Schwingungen nahezu unmittelbar in Bruchteilen einer Sekunde.

Schnelleres Einschwingungen von aktiven Reactio Isolatoren gegenüber Luftfedersystemen


Dadurch sind Seismion Reactio Isolatoren eine perfekte Lösung für Produktions- oder Inspektionssysteme mit verfahrbaren XY-Tischen, da die Taktzeiten stark reduziert werden können.

Der Unterschied zwischen Schwingungsisolierung und Schwingungsstabilisierung

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Der Unterschied zwischen Schwingungsisolierung und Schwingungsstabilisierung ist oftmals unklar, darüber hinaus auch die Frage, was für Ihre Anwendung wichtiger ist und ob ihr derzeitiger Schwingungsisolator diesen Anforderung auch gerecht wird. Dieser Artikel beschreibt daher den technischen Hintergrund und erläutert die Vorteile der Seismion Reactio als Schwingungsstabilisatoren.

Schwingungsisolierung bezieht sich typischerweise auf eine Entkopplung des isolierten Bereiches von Schwingungen des Untergrundes (daneben gibt es beispielsweise auch die akustische Isolation, auf die hier nicht eingegangen werden soll). Die Anregungsquelle ist die demnach der Untergrund, auf der die Applikation oder der Isolator platziert sind. Hierbei handelt es sich also Gebäudeschwingungen, die durch Trittschall, Klimaanlagen, Aufzüge, Wind oder auch Verkehrsstraßen angeregt werden.

Schwingungsisolation


Das Ziel eines Schwingungsisolators ist es, den Übertragungspfad vom Boden zur isolierten Deckplatte zu minimieren. Passive Isolatoren wie Luftfedern oder Gummilager sind daher möglichst weich und schwach gedämpft ausgelegt. Je weicher das Verbindungselement ist, desto weniger Kraft erreicht die Deckplatte, nach der Formel F=cx. Ideal für die Isolierung wäre eine Steifigkeit von Null (‚quasi zero stiffness‘), jedoch ist die Steifigkeit in der Praxis durch die Anforderungen an die Traglast und die Geometrie nach unten begrenzt. Die folgende Abbildung zeigt Übertragungskurven für 3 Isolatoren mit unterschiedlichen Steifigkeitswerten.

Transmissibilitätskurven für unterschiedliche Steifigkeitswerte


Die geringere Steifigkeit macht sich in den entsprechend niedrigeren Resonanzfrequenzen bemerkbar. Da Isolation nur oberhalb der Resonanzfrequenz vorliegt, verbessert eine niedrige Steifigkeit sowohl den Frequenzbereich der Isolation also auch den Grad der Isolation.

Aktive Isolatoren setzen oft ebenfalls auf ein Soft-Mount-Design, verfügen aber auch über eine aktive Rückkopplungsregelung, die die Resonanzfrequenz des passiven Systems weiter reduziert. Daher basieren die aktiven Vibrationsisolatoren von Seismion auf einer steiferen Anbindung zum Boden, was die stabilisierende Funktion deutlich verbessert, wie im Folgenden zu sehen ist.

Unter Stabilisierung versteht man die Fähigkeit des Systems, direkten Anregungen entgegenzuwirken und das System schnell zurück in den Ruhezustand zu versetzen. Direkte Anregungen werden nicht über den Boden übertragen, sondern wirken direkt auf dem isoliertem Bereich. Typische Beispiele direkte Anregung sind Benutzerinteraktion, zum Beispiel das Betätigen von Schaltern, Auflagen oder Entnahme von Proben oder der Blick durch das Mikroskop. Aber auch die Anwendung selbst kann Vibrationen erzeugen, wie durch das Wechseln von Objektiven oder das Bewegen von XY-Tischen zur Oberflächeninspektion.

Schwingugnsstabilisierung


Bei der Schwingungsstabilisierung ist das Ziel, die Einschwingzeit des Systems zu minimieren. Die Einschwingzeit bezeichnet die Zeitspanne, die benötigt wird, bis das System wieder zur Ruhe gekommen ist. Die folgende Abbildung zeigt die angeregten Schwingungen nach einem Impuls, der beispielsweise nach dem Beschleunigen oder Abbremsen eines bewegten Tisches auftritt.

Vergleich des Ausschwingvorgänge eines Luftfederisolators und eines Seismion Reactio Isolators


Dieses Diagramm zeigt deutlich den großen Vorteil aktiver Seismion Isolatoren gegenüber Luftfedern. Die notwendige weiche Lagerung von Luftfederisolatoren ist tatsächlich kontraproduktiv für die Stabilisierung, da es der Bewegung des Systems nur sehr geringe Reaktionskräfte entgegenbringt, und das System daher viele Perioden lang nachschwingt. Der aktive Isolator bietet jedoch eine starke Stabilisierungsleistung. Das liegt zum Einen an der Auslegung als Skyhook-Dämpfer, zum Anderen insbesondere aber auch an der steiferen und höher gedämpften Lagerung, die der direkten Störung auf passive Weise effizient entgegenwirkt.

Seismion Reactio Isolatoren sind daher die perfekte Wahl für Inspektions- und Produktionsgeräte mit beweglichen Tischen.