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

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.