‘Er ging een hele nieuwe wereld voor me open’

Het ontwerpen van onderdelen voor een elektronenmicroscoop met micron-niveau precisie was een uitdaging voor Zuid-Afrikaan Rosca de Waal, System Designer Mechanics bij Sioux Technology. Daarom volgde hij de cursus Design Principles for Precision Engineering bij High Tech Institute. ‘Plots gingen er lampjes branden in mijn hoofd.’

‘Ik had me nooit gerealiseerd hoezeer ik behoefte had aan een balans tussen werk en privé voordat ik hierheen kwam’, vertelt Rosca de Waal wanneer je hem vraagt naar zijn verhuizing van zijn geboorteland Zuid-Afrika naar Eindhoven. Natuurlijk is hij enthousiast over zijn werk als System Designer Mechanics bij Sioux Technology, maar wat hem vooral opvalt zijn de betere werkomstandigheden.

De alumnus van Stellenbosch University werkt nu aan een elektronenmicroscoop voor Thermo Fisher. In Zuid-Afrika bouwde hij telescopen voor aardobservatie voor het bedrijf Simera Sense, maar zijn nieuwe project bij Sioux vereiste een hoger niveau van precisietechniek dan hij gewend was. Daarom deed hij mee aan de cursus Design Principles for Precision Engineering aan het High Tech Institute.

‘Het is een uitdagende en intimiderende taak als je iets tot op micron-niveau nauwkeurig moet afstellen’, zegt hij. ‘Het is niet alleen de kleine schaal waarop we werken. Het is de omgeving in de microscoop die het zo veel uitdagender maakt. Je hebt een zeer beperkte ruimte binnenin en bovendien werk je onder een hoog vacuüm. De omgeving moet ook heel schoon zijn en de precisie moet worden gehandhaafd bij verschillende temperaturen.’

Sioux is mede-ontwerper van Energy Dispersive X-ray detectoren voor Thermo Fisher elektronenmicroscopen. Elektronen die direct en indirect het monster raken genereren een beeld, maar deze elektronen genereren ook röntgenstraling. De EDX-detector detecteert de röntgenstraling die van het monster afkomt en zet deze om in materiaalanalyse. Dit biedt een aantal ontwerpuitdagingen. De detector moet worden uitgelijnd met de baan van de röntgenstralen en moet zich in een precieze oriëntatie bevinden ten opzichte van het monster en de poolstukken.

‘Hoe dichter de detector bij de poolstukken zit, hoe meer röntgenstraling je verzamelt en hoe sneller je genoeg gegevens krijgt, voordat de elektronen het monster beschadigen’, zegt de Waal. ‘Maar er zit een risico aan, want je wilt het monster of de pool niet aanraken. Dat is een heel groot risico. Je wilt er zo dicht mogelijk bij zitten, maar toch wat ruimte voor fouten overlaten. Dat moeten we allemaal op micron-schaal doen.’

Multidisciplinair

Sioux is een bedrijf dat aan complexe multidisciplinaire systeemontwikkeling doet. De overname van Sioux CCM, tien jaar geleden, stelde hen in staat om hun expertise in machinebouw te versterken. Vandaag de dag bouwt de Waal voort op dit multidisciplinaire team.

‘Voor de EDX-detector was ik betrokken bij de tooling en mechanische uitlijning van de sensoren’, zegt hij. ‘We hebben ons elektroteam dat de elektronica heeft ontworpen. Sioux heeft ook de software ontwikkeld. Dit was een multidisciplinair project. We hebben zelfs een Mathware-afdeling, die bestaat uit een team van natuurkunde- en wiskunde-PhD’s, dat ons hielp bij het berekenen van stijfheid en rigiditeit. Dat was belangrijk omdat we bijvoorbeeld niet te veel spanning konden uitoefenen bij het plaatsen van de sensoren. We hadden een tolerantiebudget, waar we binnen moesten blijven. Zo niet, dan zou dat tot een worst-case-scenario kunnen leiden. We gebruikten alle vaardigheden die je binnen Sioux kunt vinden voor dit project.’

Leren omgaan met deze uitdagingen was voor De Waal de reden om de cursus Design Principles for Precision Engineering te volgen bij High-Tech Institute. ‘Natuurlijk kreeg ik advies van mijn collega’s. Maar deze training heeft me echt geholpen om mijn geest te openen. Iets kan heel eenvoudig zijn als je eenmaal de basisconcepten begrijpt.’

Flexures

Een element dat een prominente plaats innam in de cursus waren flexures. ‘Ik was al eerder met flexures in aanraking gekomen’, zegt De Waal. ‘Maar ik had ze nog nooit zo nauwkeurig hoeven gebruiken. Bij mijn vorige bedrijf moesten we natuurlijk ook heel precies ontwerpen. Daar gebruikten we flexures om zaken als stick-slip weg te nemen. We gebruikten ze om onze afstelling te verbeteren, maar niet om het te beperken en zo nauwkeurig te maken. In het elektronenmicroscoop-project moesten de flexures echter passen in dit ingewikkelde systeem, waarbij rekening moest gehouden worden met meerdere factoren, zoals temperatuur, positie, afstelnauwkeurigheid en resolutie.

Je kunt onder deze omstandigheden een hoog precisieniveau bereiken met alleen flexures en bladveren als je weet hoe je ze moet inzetten. We gebruiken hier vaak verschillende metalen, in combinatie met thermische expansie, om rekening te houden met verplaatsing. Als je flexures op de juiste manier gebruikt, kun je dit inpassen binnen de eisen die je stelt.

Er ging een hele nieuwe wereld voor me open. Deze zeer eenvoudige dingen kunnen op kleine schaal worden ontworpen om op kleine plaatsen te passen. Bovendien werken ze perfect in een vacuümomgeving, omdat ze gewoon van metaal zijn. Je hebt bijvoorbeeld geen speciaal vet nodig zoals bij kogellagers.’

Vijf docenten en verschillende externe experts

‘Tijdens de cursus heb ik heel wat praktische kennis opgedaan over flexures’, vervolgt De Waal. ‘Voordat ik de cursus volgde, wist ik bijvoorbeeld niet tot welke resolutie en dunheid van metaal we deze onderdelen konden bewerken. Maar met een reeks praktijkvoorbeelden leerden we deze informatie heel snel.’

De cursus duurde een week, met elke dag een ochtend- en avondsessie. Vijf docenten gaven les aan de studenten. Daarnaast namen externe experts deel aan bepaalde lessen om de theorie te illustreren met voorbeelden uit hun vakgebied en industrie. Dit betekende dat de sessies doorspekt waren met praktijkvoorbeelden.

‘Het helpt je verbanden te leggen’, zegt De Waal. ‘Opeens realiseer je je: Oh wow, dit kun je daar ook toepassen. De ene persoon legde uit hoe ze een eenvoudige flexure gebruikten om elektronische componenten in een fabriek te sorteren, en toen legde een ander uit hoe ze vergelijkbare principes hanteerden om een volledig functionerende robotarm te bouwen. Dat was heel inzichtelijk. De docenten zelf waren ook goed thuis in hun vakgebied.’

Visitekaartjes

Naast praktijkvoorbeelden deden de studenten ook veel oefeningen. ‘Ze gaven ons visitekaartjes met van die blokjes met drukknijpers’, vertelt De Waal. ‘We konden ermee spelen zodat we een beter idee kregen van bepaalde principes. Het is zoiets simpels, gewoon wat papier en wat blokken. Maar daarmee kun je beter begrijpen hoe bijvoorbeeld bladveren werken. Dat heeft me echt geholpen om bepaalde concepten te voelen en te begrijpen. Het helpt als je fysiek kunt voelen hoe iets werkt. De docenten hebben daarnaast enkele voorbeelden in 3D uitgeprint voor de klas. Tijdens de tweede helft van de vijfde dag moesten we ook iets ontwerpen. Het is één ding om de theorie te leren, maar iets anders om daadwerkelijk te ontwerpen op basis van de theorie. Tijdens deze paar uur konden we alle kennis die we hadden geleerd toepassen. De docenten begeleidden je als je vastliep, of daagden je manier van denken uit. De hele structuur van de cursus was goed doordacht.’

De klas van De Waal bestond voornamelijk uit mensen uit de hightechindustrie rond Eindhoven, maar er deden ook internationale deelnemers mee, onder wie studenten uit Frankrijk, Italië en zelfs Saoedi-Arabië. Veel van hen kwamen uit de biomedische industrie.

Sinds hij de cursus in september vorig jaar volgde, is de Waal positief over de effecten ervan op hem en zijn carrière. ‘Voordat ik de cursus volgde, had ik geen goed, dieper begrip van deze principes’, zegt hij. ‘Maar toen ik de opleiding eenmaal had gedaan, gingen er allemaal lampjes branden in mijn hoofd. Ik begon het project waaraan ik werkte op een dieper niveau te begrijpen.’