Revolution in der Wuchttechnologie: Laser Balancing™ macht den Einsatz von Turbopumpen noch effizienter
Die Turbomolekularpumpe (kurz: Turbopumpe) gilt seit ihrer Erfindung im Jahr 1958 als Zugpferd der Hochvakuumtechnik. Dank ihrer zuverlässigen Vakuumbereitstellung ist sie unter anderem auch in der gesamten Halbleiterproduktion nicht mehr wegzudenken.
Ihr Erfinder Willi Becker, zu diesem Zeitpunkt seit 13 Jahren Leiter des technischen Labors bei der Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik GmbH (heute Pfeiffer Vacuum GmbH), hätte sich damals wohl kaum erträumen lassen, dass 63 Jahre später ein Laserstrahl für eine weitere Revolution der Turbopumpe sorgt. Denn das sogenannte Laser Balancing ist die neueste und gegenwertig effizienteste Methode der Wuchttechnologie und steigert eindrucksvoll die Lebensdauer sowie Performance von Turbopumpen. Das Laser Balancing wurde bei Pfeiffer Vacuum entwickelt und patentiert – dem Unternehmen, in dem Willi Becker damals schon die Turbopumpe erfunden hat.
Aufbau der Turbopumpe
Für die Erzeugung von ölfreiem Hoch- und Ultrahochvakuum ist die Turbopumpe bis heute essentiell. Unmittelbar nach ihrer Erfindung ersetzte sie nach und nach vorhandene Pumpprinzipien zur Vakuumerzeugung. In den 1960er Jahren begann der Bedarf an Hochvakuum immer mehr zu steigen und etablierte so die Turbopumpe in vielfältigen Anwendungen schnell als Standard der Hoch- und Ultrahochvakuumerzeugung. Ohne ihren Einsatz wären viele Prozessschritte im Bereich der Halbleiterherstellung oder der Beschichtung nicht möglich.
Als Teil der kinetischen Vakuumpumpen ähnelt ihr Aufbau dem einer Turbine. Im Inneren der Pumpe sind mehrere Rotorscheiben auf einer Welle montiert. Dazwischen liegen Statorscheiben, deren Schaufelausrichtung spiegelverkehrt zur Ausrichtung der Rotorschaufeln verläuft. Dadurch werden die zu pumpenden Gasmoleküle vom Hochvakuum-Flansch entlang der einzelnen Turbostufen zum Vorvakuum-Flansch befördert. Der Rotor der Turbopumpe wird von einem bürstenlosen dreiphasen Drehstromsynchronmotor angetrieben. Dadurch können sehr hohe Drehfrequenzen bis zu 1500 Hz erreicht werden. Die Lagerung der Rotorwelle besteht wiederum aus einem Permanentmagnetlager auf der Hochvakuumseite und einem Hochleistungskugellager auf der Vorvakuumseite. Obwohl das Kugellager minimal geschmiert ist, erzeugt die Pumpe ein ölfreies Vakuum.
Diese, im Maschinenbau selten anzutreffende Hybridlagerung, stellt eine Besonderheit zur Lager- und somit Wuchttechnologie dar und unterscheidet sich von üblichen Lagertechnologien. In Kombination mit den sehr hohen Drehzahlen ist insbesondere das Wuchten der Turbopumpen-Rotoren eine technologische Herausforderung. Denn gerade die Wuchtgüte hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und die Performance der Turbopumpe.
Schnittmodell einer hybridgelagerten Turbopumpe zeigt die Lagerung der Rotorwelle mit einem Permanentmagnetlager sowie einem Kugellager.
Hintergrund des Wuchtens von Rotoren
In der Praxis weist jedes rotierende Bauteil eine gewisse Unwucht auf, die nicht vollständig vermieden werden kann. Um später einen möglichst vibrationsarmen Betrieb zu ermöglichen, muss die Unwucht der immer schneller drehenden Rotoren unbedingt mit entsprechenden Maßnahmen reduziert werden. Der bekannteste Prozess ist vermutlich der des Auswuchtens von Autoreifen. Weisen die Räder eine Unwucht auf, macht sich dies durch Vibrationen am Lenkrad bemerkbar. Dieses physikalische Phänomen ist auch unter dem Begriff der Fliehkraft bekannt: Die Unwucht eines Rotors beschreibt die DIN ISO-Definition als einen Zustand, in dem Schwingkräfte und -bewegungen aufgrund von nicht ausgeglichenen Fliehkräften auf die Lager übertragen werden.
Selbst optisch symmetrisch erscheinende Körper weisen in der Realität geringe Ungleichheiten in der Masseverteilung auf. Dies kann beispielsweise aus dem Fertigungsprozess des Bauteils oder einer Inhomogenität in der Dichte des Rohmaterials resultieren. Der Begriff der Unwucht beschreibt diese ungleiche Massenverteilung. Weitere Ursachen können von der Konstruktion oder Montage herrühren. Darüber hinaus kann eine Unwucht auch während des Betriebs durch Verschleiß oder Ablagerungen entstehen.
Dies ist nur ein Auszug.
Den vollständigen Anwendungsbericht können Sie als PDF-Datei herunterladen.
