Für die Herstellung von Siliziumwafern, die als Ausgangsprodukte für Halbleiterbauelemente wie z. B. Solarzellen dienen, sind spezielle Öfen nötig. In diesen Öfen durchlaufen die Wafer bei der Herstellung unterschiedliche Prozesse. Ein optimaler Vorgang setzt dabei eine ideale Positionierung voraus. Die Beladung der Öfen nimmt bei Temperaturen, die weit über 1.000 °C liegen können, kein „Pizzabäcker“ vor, sondern eine vollautomatisierte, per Software gesteuerte Einheit. Damit Fertigungsfehler, Ausschussware und Schäden an der Gesamtkonstruktion ausgeschlossen werden, sind Linearmodule und Drehtisch der Beladungseinheit zusätzlich durch Maschinenelemente von ACE gesichert.
Die im Jahr 2006 gegründete LISCO GmbH aus Bargteheide in Schleswig-Holstein setzt Strukturdämpfer der ACE Stoßdämpfer GmbH in vielen ihrer innovativen Konstruktionen als Sicherheitselemente ein. Zum Kern des Leistungsportfolios von LISCO zählen Standard- und Sonderachsen sowie ganze Linearachsensysteme. Sie können zusätzlich mit Antrieb, Steuerung und Messprotokollen versehen werden. Serviceorientierung, Flexibilität und Innovationsfreude sind in der Firmenphilosophie fest verankert. Alles Themen, die auch in diesem Einsatzfall wichtige Rollen spielen. Gleiches gilt für Erfahrung im Umgang mit Produkten von ACE. Diese steuerten in Gestalt der TUBUS genannten Strukturdämpfer eine so gut wie unsichtbare, aber höchst effiziente Lösung für die Vermeidung von Restrisiken an der Beladungseinheit bei.
Um die Gefahren in der Produktion der Siliziumwafer zu verstehen, muss zunächst ihr Hintergrund in der Photovoltaikbranche beleuchtet werden: Ihre Fertigung vollzieht sich meist im Reinraum. Das heißt, in den Produktionshallen sind keine Menschen anwesend. Ihnen obliegt jedoch nach wie vor der Steuerungsprozess. Dies gilt nicht nur in den Kontrollräumen vor Computern und sonstigen Bildschirmen, sondern auch in der Planung der Maschinen. Eine gelungene Konstruktion ist dabei nur eine, die bis zum Ende durchdacht ist. Dazu gehört in der heutigen Zeit nicht nur der Schutz vor zufälligen Störungen, wie z. B. Stromausfällen, sondern auch der Schutz vor intendierten Schäden, wie z. B. durch Cyberangriffe. In Zeiten erhöhter Wirtschaftskriminalität ein nicht zu unterschätzender Faktor. All dies ist bei der Beladungseinheit von LISCO bedacht.
Wafer-Backzutaten: Zahnriemen- und Spindelantriebe von LISCO
Um die Wafer in die Öfen zu transportieren und dort zu positionieren, hat LISCO hochwertige Spindel- wie auch Zahnriemenantriebe entwickelt und in einem weiteren Schritt einen Drehtisch integriert. Der Zahnriemenantrieb ist für das Vor- und Zurückbewegen der an ein Backblech erinnernden Zufuhr zu den Öfen zuständig und entwickelt bei einem maximalen Drehmoment an der Antriebswelle von 180 Nm eine maximale Zahnriemenkraft von 2.100 Nm. Die Wiederholgenauigkeit beträgt 0,05 mm und ist ein schlagendes Argument, warum der Backvorgang automatisiert im Reinraum stattfindet. Eine solche Genauigkeit ist von Menschenhand nicht im Ansatz herzustellen. Der Spindelantrieb arbeitet beim Hoch- und Herunterfahren der Zufuhr sogar noch genauer. Seine Fehlertoleranz beträgt gerade einmal 0,03 mm. Mit drei unterschiedlichen Spindelsteigungen erhältlich, liegen die dynamischen Tragzahlen je nach Modell zwischen 19.540 N und 30.360 N. Die statischen Tragzahlen liegen sogar noch deutlich darüber. Aufgrund der Aufgabe zur Positionierung kommt ihnen jedoch in diesem Einsatzfall keine entscheidende Bedeutung zu.
Als weiteres Konstruktionselement ist der Drehtisch in der Mitte der Einheit wie eine schwebende Plattform angebracht und dient der zusätzlichen Positionsoptimierung. Dafür lässt er sich ebenfalls vom Kontrollraum in beliebigen Drehungen steuern. Um den Drehtisch und die über ihm liegende Konstruktion aus mit Blech versteiften Aluminiumprofilen zu schützen, werden Strukturdämpfer von ACE des Typs TUBUS TR-97 eingesetzt. Diese dienen als reine Sicherheitselemente für den Fall, dass Kugelgewindemuttern defekt sind und die Einheit darauf gegebenenfalls nach unten absacken kann. Sie stellen auch einen hervorragenden Schutz gegen die oben genannten Schäden bei der Steuerung der Software dar.
Runde Sache: radiale TUBUS Strukturdämpfer von ACE
Die aus Co-Polyester Elastomer gefertigten Strukturdämpfer sind im Vergleich mit Industriestoßdämpfern eine gute Alternative, wenn es, wie bei dieser Anwendung, nicht auf ein punktgenaues Abstoppen von bewegten Massen ankommt. Insgesamt umfasst allein diese Produktserie von ACE acht verschiedene TUBUS-Bauarten mit insgesamt ca. 150 Standard-Einzellösungen für eine Vielzahl an Anwendungen. Dabei ist es möglich, mittels der kompakten Bauteile annähernd lineare, degressive oder, wie in diesem Fall, progressive Kennlinien zu erzeugen. Die einzelnen Typen der hier zum Einsatz kommenden TR-Familie dämpfen radial, wobei diese Art der Beanspruchung eine lange, weiche Abbremsung mit einem progressiven Energieabbau am Hubende erzeugt. Da die Beladungseinheit von LISCO ca. 600 kg wiegt, entschieden sich die Konstrukteure dazu, Vertreter der Sorte TR-HD auszuwählen, die sich sowohl durch massive Bauform als auch hohe Kraft- und Energieaufnahmen bei geringem Dämpfungsweg auszeichnen. Den Ausschlag gaben ihre geringe Bauhöhe mit Hüben von 12 bis 44 mm sowie die hohe Energieaufnahme von 405 bis 11.840 Nm. Auch wenn diese meist aufgrund dieser Charakteristika in der Agrartechnik, im Schiffsbau oder Off-Shore, an Förderanlagen, an Schaufeln oder Knickgelenken von Baumaschinen sowie an Lade- und Hebevorrichtungen zum Einsatz kommen, verrichten nun auch einige TUBUS vom Typ TR97-31HD zuverlässig ihren Dienst in einer Fabrik für die Fertigung von Solarzellen.
In den meisten Fällen binnen 24 Stunden ab Lager bei ACE in Langenfeld verfügbar, sind die wartungsfreien, einbaufertigen Dämpfer neben ihren flexiblen Dämpfungseigenschaften anderen Lösungen auch hinsichtlich der Lebensdauer überlegen. Zusätzlich zur sehr hohen Standzeit von bis zu einer Million Lastwechseln heben sie sich von allen anderen Feststoff-Dämpfungselementen durch ihre platzsparende Bauform und das geringe Eigengewicht ab. Neben den Standardprodukten der einzelnen TUBUS-Familien gibt es bei ACE noch eine Vielzahl an Spezialausführungen für kundenspezifische Einsatzfälle auf Anfrage. Egal, ob als Anschlagdämpfer in Robotersystemen, Hub-Begrenzer in Gabelstaplern, im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau oder in Fitnessgeräten eingesetzt, die Anwender profitieren zumeist auch noch von Schallreduktionen gegenüber vergleichbaren Lösungen.
TUBUS von ACE optimieren Sondermaschine von LISCO
Um die vollständige Chronologie dieses Einsatzfalls abzurunden, soll nicht verschwiegen werden, dass die Notstopper von ACE nicht von Anfang an in der Beladungseinheit ihren Dienst taten. Zunächst hatte der Kunde von LISCO auf selbst zugeschnittene Reifenprofile für diese Aufgabe zurückgegriffen, weil es während der Testfahrten zu einer Kollision von Baugruppen beim Herauf- und Herunterfahren der Einheit gekommen war. Diese verursachte nicht nur eine Schrecksekunde beim Bedienpersonal und den Programmierern der Steuerung, sondern führte auch dazu, dass man LISCO nach professionelleren Dämpfern fragte. Das Konstruktionsteam von LISCO reagierte aufgrund vorheriger guter Erfahrungen mit Dämpfungselementen von ACE sofort. Von den Vorzügen der TUBUS wissend, wurden diese dann kurzerhand als zusätzliches Element beigesteuert. Weitere Tests und die Praxis bewiesen anschließend die Funktionstüchtigkeit der Dämpfer. Schäden an der Gesamtkonstruktion und Stillstandzeiten sind seitdem weitestgehend ausgeschlossen. Marcel Schlünz, Betriebsleiter bei der LISCO GmbH, erläutert abschließend: „Für uns hat Sicherheit absoluten Vorrang. Deshalb ist es für uns auch ein normaler Vorgang, bestehende Konstruktionen im Laufe eines Testvorgangs zu optimieren. Wir orientieren uns dabei immer eng an den Bedürfnissen der Kunden und wollen es ihnen durch unsere Innovationskraft ermöglichen, die bestmögliche Lösung umzusetzen. Das ist ein Ziel, das auch ACE immer im Auge hat. Nicht zuletzt aus diesem Grund lief die Kooperation für alle Seiten zur vollsten Zufriedenheit.“
Kastentext: Waferbackprozess
Die Herstellung von Siliziumwafern besteht aus vielen Phasen. Das schnelle thermische Tempern und das so genannte Annealing sind zwei sehr wichtige. Beim Tempern wird der Wafer zunächst auf mindestens 1.150 °C erhitzt, um Kristallgitterlücken in den Oberflächen- und Hauptschichten zu bilden. Anschließend wird der Wafer auf weniger als 900 °C abgekühlt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit weniger als 5 °C pro Sekunde beträgt. Dadurch wird ein Wafer erzeugt, der ein Gitterlückenkonzentrationsprofil aufweist, in welchem die Maximaldichte bei oder nahe bei der zentralen Ebene liegt. Während des Anneals werden wiederum intrinsische Kristalldefekte, sogenannte Crystal Originated Pits (COPs), bei über 1.000 °C thermisch aufgelöst. Der Temperaturbereich liegt dabei 200 - 300 °C unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium.
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