‘Het thermische frequentiedomein opent een nieuwe manier van denken’

Bij Nobleo Technology gaan precisie en innovatie hand in hand. Ontwerper Rik Houwers verdiepte onlangs zijn expertise met de cursus ‘Thermal Effects in Mechatronic Systems’ van High Tech Institute. Dit gaf hem nieuwe inzichten in hoe temperatuurschommelingen hightech machines beïnvloeden en hoe modelleren in het frequentiedomein kan leiden tot slimmere en stabielere ontwerpen.

‘Zelf iets bouwen dat je hebt ontworpen, blijft leuk,’ zegt Rik Houwers, ontwerper bij Nobleo, ‘want je krijgt directe feedback. Helaas kan dat niet altijd.’ Houwers studeerde werktuigbouwkunde aan de TU Delft, met specialisaties in biomechanica en precisiemechanica. Via een oud-studiegenoot kwam hij in contact met Nobleo waar hij inmiddels negen jaar werkt.

Door de multidisciplinaire aard van mechatronica is samenwerking essentieel. ‘We werken met experts uit verschillende vakgebieden: mechanica, elektronica, controle, software, inkoop en soms thermisch of optisch. Hoe beter je de basis van elkaars discipline begrijpt, hoe beter je ook kunt ontwerpen. Je leert effectiever communiceren en dat maakt het verschil. Bovendien ontstaan de beste innovatieve ideeën vaak op het snijvlak van meerdere disciplines.’

Een niche met grote impact

Onlangs volgde Houwers de cursus Thermal Effects in Mechatronic Systems bij High Tech Institute. Tijdens een eerder project had hij gemerkt hoe groot de invloed van temperatuurvariaties kan zijn op de nauwkeurigheid van meetsystemen. ‘Bij de machine waar ik toen aan werkte, bleek een thermische verstoring de belangrijkste oorzaak voor afwijkingen in de metingen. Sindsdien wilde ik die mechanismen beter begrijpen.’

Technisch directeur Frank Sperling had Houwers al eerder gewezen op cursussen van High Tech Institute. Zo volgde hij eerder Passive Damping for High Tech Systems en Applied Optics, waarvan de kennis direct toepasbaar bleek in klantprojecten. Deze nieuwe training past volgens hem naadloos in dat rijtje. ‘Met dit stuk gereedschap in mijn gereedschapskist heb ik nog meer mogelijkheden om creatieve en slimme ontwerpen te maken voor onze klanten.’

De training is vooral aan te bevelen voor ontwerpers in de mechatronica die zich richten op hoge nauwkeurigheid. ‘Zodra je ontwerpt voor toleranties kleiner dan enkele tientallen micrometers, kun je thermische effecten eigenlijk niet negeren.’ Dat is volgens Houwers redelijk precies in het vakgebied, maar geen uitzondering. ‘Ter referentie, machines van ASML moeten tot op nanometerniveau nauwkeurig zijn.’

De cursus sloot goed aan bij zijn achtergrond in dynamica. ‘Het niveau was precies goed. De docenten, onder wie Theo Ruijl van MI-Partners, brachten de theorie helder over en koppelden die steeds aan praktijkvoorbeelden uit de industrie.’

Inzicht in thermische effecten

De driedaagse cursus bood een gestructureerde opbouw. Op dag één lag de focus op de basis van warmtetransport en thermische fysica. Dag twee draaide om temperatuurmeting en praktijkvoorbeelden en de derde dag ging over temperatuurregeling in de systemen. ‘Thermische systemen lijken eenvoudiger dan dynamische systemen omdat ze geen resonanties hebben,’ legt Houwers uit. ‘Maar als je de regelaar verkeerd afstemt, kan het systeem alsnog instabiel worden. Met een paar vuistregels kun je dat voorkomen.’

Het tempo lag hoog en niet alle opdrachten konden volledig uitgewerkt worden in de gegeven tijd. Toch stoorde dat volgens Houwers niet.’ Het doel van de cursus was om in drie dagen zoveel mogelijk kennis op te zuigen. Dat is zeker gelukt.’

Hoewel hij de opgedane kennis nog niet direct kan toepassen, twijfelt hij niet aan het nut. ‘Bij Nobleo werken we continu aan grensverleggende systemen. Vroeg of laat komt elk van die thermische vraagstukken weer voorbij en dan is het prettig om de fysica erachter écht te begrijpen.’

Denken in frequenties

Het meest waardevolle inzicht dat Houwers uit de cursus meenam, kwam uit de frequentiedomeinbenadering van thermische problemen. ‘Temperatuurschommelingen hebben elk hun eigen frequentie. De dag-nachtcyclus verandert langzaam, de airco schakelt misschien elk half uur aan en uit, en mensen die langs lopen veroorzaken luchtverplaatsingen in minuten.’

Hoe sterk die variaties de nauwkeurigheid van een machine beïnvloeden, hangt af van de procesfrequentie en hoe snel de verschillende onderdelen op temperatuurveranderingen reageren. Zware, massieve componenten warmen bijvoorbeeld trager op dan lichte onderdelen, en materialen met minder warmtegeleiding reageren langzaam en asynchroon. Daardoor ontstaat er bij bepaalde frequenties vaak een niet-synchroon temperatuurverloop: het ene deel zet al uit, terwijl het andere nog nauwelijks warm is. Dat veroorzaakt vervorming en meetafwijkingen. Door het systeem in het frequentiedomein te modelleren, kunnen ontwerpers inzicht krijgen in welke temperatuurschommelingen relevant zijn voor de gewenste nauwkeurigheid.

Deze manier van denken bleek volgens Houwers verrassend krachtig. ‘Je kunt voorspellen hoe de warmte zich door een machine verspreidt, hoe snel onderdelen reageren en hoe dat de positionering beïnvloedt. Dat geeft richting aan ontwerpkeuzes in materiaal, constructie en regelstrategie.’

Bij Nobleo Technology draait alles om hightech innovatie in de breedste zin van het woord. Het Eindhovense bedrijf heeft vier complementaire pijlers: Autonomous Systems, Intelligence, Embedded & Electronics en Mechatronic Systems. Waar de eerste zich richt op autonome voertuigen en robots, houdt Intelligence zich bezig met slimme algoritmen voor beeldherkenning en kwaliteitscontrole. Embedded & Electronics ondersteunt de ontwikkeling van intelligente systemen door het ontwerpen en integreren van hardware, elektronica en ingebouwde software die nauwkeurige besturing en slimme besluitvorming mogelijk maken. Binnen de tak Mechatronic Systems ligt de focus op precisie, snelheid en voorspelbare systemen voor de industrie, van complexe chipmachines tot sorteermachines voor fruit. In dat opzicht sluit deze training naadloos aan bij Houwers’ loopbaan in de mechatronica bij Nobleo.

Dit artikel werd geschreven in nauwe samenwerking met High Tech Institute.