In dem gezeigten Beispiel beträgt die empfohlene Lagerspalthöhe 9 µm (rote Linie). Bei der entsprechenden Vorspannung von ca. 1.400 N hat das Lager eine Steifigkeit von 200 N/µm. Dies kann beispielsweise durch das Gewicht des zu lagernden Objekts selbst erfolgen. Bei einer statisch bestimmten Unterstützung mit drei Lagerpads müsste der Schlitten inkl. Objekt allerdings eine Masse von 420 kg aufweisen, damit die Lagerung optimal vorgespannt ist.

In der Regel ist die Masse des zu bewegenden Objekts deutlich geringer, und die erreichbare Steifigkeit wird dadurch begrenzt. Um dennoch eine hohe Steifigkeit zu erreichen, muss eine zusätzliche Vorspannung aufgebracht werden. Prädestiniert hierfür sind zwei Möglichkeiten:

• Vakuum-Vorspannung
• Magnetische Vorspannung

Abbildung 1: Lagerkurven für ein Luftlager 55 x 110 mm² bei Versorgungsdruck 4 bar. Die rote Linie markiert die empfohlene Lagerspalthöhe. Die Ausschnitte zeigen die Kurven für große Spalthöhen.

Vakuum-Vorspannung

Für die Vorspannung eines Luftlagers mit Hilfe von Vakuum werden Taschen in die Lagerfläche eingebracht, die mit einer Vakuumpumpe verbunden sind. Die Bereiche mit Vakuum werden zu allen Seiten durch die Lagerfläche begrenzt und sind somit nach außen über den Lagerspalt abgedichtet.

Die Luftlager von AeroLas weisen auch bei großer Lagerfläche einen geringen Luftverbrauch auf. Deshalb ist die Leckage der Lagerluft ins Vakuum gering, und es reicht eine kleine Vakuumpumpe aus, um das erforderliche Vakuum zu erreichen. Die Vakuumvorspannung kann in jede Lagerfläche integriert werden. Größe und Position des Vakuumbereichs werden ebenso wie die Anzahl der Mikrodüsen auf der Lagerfläche optimiert, um eine möglichst hohe Steifigkeit bei geringer Leckage ins Vakuum zu erzielen.

In der Abbildung ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Vakuumvorspannung essentiell ist:

Der luftgelagerte Drehantrieb kann in x- und y-Richtung mit hoher Dynamik und Präzision bewegt werden, weil er mit Hilfe der Vakuumvorspannung gewichtsoptimiert konstruiert werden konnte. Der Antrieb besitzt inklusive Drehtisch, Motoren und Kabel eine Masse von 4,6 kg. Dauerbeschleunigungen von 2 g (20 m/s²) in x-/y-Richtung bei Widerholgenauigkeiten besser 0,2 µm können erreicht werden. Das Traglager (Unterseite) des Drehantriebs weist eine Steifigkeit von 190 N/µm bei einer Vorspannkraft von 1.100 N auf.

Abbildung 2: Beispiel für zwei vakuumvorgespannte Lagerflächen eines x-y-Drehtisches für hochdynamische Bewegung.

Magnetische Vorspannung

Für eine magnetische Vorspannung werden ein oder mehrere Permanentmagnete in den Luftlagerkörper integriert. Die Gegenfläche des Luftlagers muss magnetisch sein. Die Anzugskraft zwischen Magnet und Gegenfläche hängt stark vom Abstand ab; deshalb muss er bei der Konzeption der Lagerung berücksichtigt werden.

Bei AeroLas wurden in aufwendigen Versuchen die unterschiedlichsten Magnete auf ihre Vorspannkraft untersucht. Anhand dieser Daten ist eine schnelle und sichere Konzeption einer kundenspezifischen Luftlagerung möglich, ohne dass im Vorfeld zeitraubende Versuche an einem Prototyp nötig sind.

Wird die Magnetvorspannung bei zueinander bewegten Teilen eingesetzt, entstehen Wirbelströme. Zusätzlich kann es aufgrund der Bewegung zu einer Änderung der Magnetisierung in der Gegenfläche kommen.

Beides führt zu einer Kraft, welche der Bewegung entgegengerichtet ist, wobei die Kraft aufgrund der Um-Magnetisierung überwiegt. Durch eine geschickte Anordnung der Magnete kann letztere verhindert werden. Dadurch kann die Gegenkraft minimiert werden, und es werden höhere Beschleunigungen erreicht.

Abbildung 3: Einfacher Luftlagerkörper mit einem Magnet,
der in eine Tasche eingeklebt ist

Abbildung 4: Luftlager mit integriertem Magnet unter der Lagerfläche

Abbildung 5: Luftgelagerter Schlitten mit Standard-Luftllagern und einer magnetischen Vorspannung gegen die Magnetbahn des eisenlosen Motors