Geen nauwkeurige machine zonder goede thermische huishouding

De grootste storingen in een machine worden veroorzaakt door trillingen en temperatuurschommelingen. Als je die niet allebei onder controle hebt, kun je een nauwkeurig systeem gevoeglijk op je buik schrijven. In de regio is er heel veel kennis over dynamica, over goed ontwerpen, over demping. Hele generaties werktuigbouwers zijn immers opgegroeid met de constructieprincipes en Des Duivels Prentenboek van de grote leermeesters Rien Koster en Wim van der Hoek. Maar bij de meeste bedrijven staat de thermische huishouding nog in de kinderschoenen.

‘Iedere constructeur die een hoge nauwkeurigheid wil halen, wordt vroeg of laat geconfronteerd met thermische effecten’, weet Theo Ruijl. De cto bij MI-Partners houdt zich al twee decennia bezig met thermische effecten in mechatronische systemen (tems). ‘Temperatuurvariaties, drift, een opwarmende motor: het heeft allemaal zijn weerslag op de prestaties van een systeem. Natuurlijk kun je het best negeren, en het gaat misschien ook lang goed, maar dan duikt er ineens een concurrent op die de thermische aspecten wel op orde heeft en je aftroeft.’

In de hightechindustrie zijn er genoeg ontwikkelaars die worstelen met de thermische verstoringen. ‘Bij ASML zijn de thermische uitdagingen op dit moment groter dan de dynamische’, stelt Ruijl. ‘Er wordt een enorme hoeveelheid licht in die machines gepompt. Het is onvermijdelijk dat de wafer daardoor opwarmt en vervormt. Als dat nou mooi gelijkmatig zou gebeuren, zou je het nog wel kunnen simuleren en voorspellen. Helaas blijken er allerlei niet-lineaire effecten op te treden. Probeer het dan nog maar eens te modelleren en te corrigeren.’

Thermal effects in mechatronic systems

Acquire theoretical and practical background on design, simulation, measurement and compensation techniques that are essential in the development of precision modules/systems that are subject to internal or external thermal loads.

Meer informatie

Ook Thermo Fisher heeft het onderwerp nadrukkelijk in het vizier. Ruijl: ‘Veel gebruikers van elektronenmicroscopen zitten in de levenswetenschappen. Ze onderzoeken biologische processen die ze letterlijk willen bevriezen om ze goed te kunnen bestuderen. Daarom lossen ze het op in water en koelen ze dat af. Het ijs moet amorf zijn, niet kristallijn omdat je anders niets meer ziet onder de microscoop. Die structuur krijg je alleen als je het sample razendsnel afkoelt. Denk aan een snelheid van honderdduizend tot een miljoen kelvin per seconde. Daarna moet het ingevroren sampletje onder de microscoop worden gelegd. De preparatie en positionering vormen een flinke thermische uitdaging. Hoe hou je het sample in de microscoop onder hoog vacuüm op de juiste temperatuur? En wat heeft dat alles voor effect op de gevoelige optische en mechatronische systemen eromheen?’

Gemis

Dat het bij veel bedrijven nog ontbreekt aan diepgaande thermische kennis komt voor een belangrijk deel door een hiaat in de opleiding van hun engineers. ‘De technische universiteiten leveren prima mensen af in de dynamica en de regeltechniek, maar ze hebben geen kaas gegeten van thermische effecten in mechatronische systemen’, vindt Ruijl, ‘Sinds TUE-professor Piet Schellekens een jaar of vijftien geleden met pensioen is gegaan, zijn thermisch design en metrologie ondergeschoven kindjes. Niemand heeft die onderwerpen serieus opgepakt, ook niet in Delft of Twente. Dat is een groot gemis. Er zitten zo veel fundamentele uitdagingen aan die thermische aspecten. Daarvoor zou echt een hoogleraar moeten komen.’

Met Hans Vermeulen is er op de TU Eindhoven sinds een paar jaar een deeltijdhoogleraar die het onderwerp op de agenda heeft staan. Voor zijn Mechatronic Systems Design-groep is geavanceerde thermische controle echter een van de vele onderwerpen. Bovendien is een groot deel van de vaste staf van Schellekens inmiddels vertrokken. ‘In Duitsland staat het beter op de kaart’, weet Ruijl. ‘Daar is een grote markt voor machinetooling waar thermische effecten een hoofdrol spelen. Duitse toolingbouwers en kennisinstellingen weten elkaar beter te vinden rond tems. Onder meer op de Fraunhofer-instituten draaien ze verschillende goede onderzoeksprojecten. Ook in Zwitserland en Spanje lopen tems-onderzoeksprogramma’s.’

Recyclen

Ondanks de leemte in de universitaire scholing lopen er in de industrie redelijk wat thermische specialisten rond. Allemaal selfmade men die het vak in de praktijk hebben geleerd, zoals Ruijl zelf. Voor hem begon dat een kleine twintig jaar geleden bij Philips. ‘Al heel lang weten we exact hoe we dynamica en regeltechniek kunnen modelleren en hoe we het in machines moeten integreren. In een typisch ontwerptraject zitten verschillende specialisten aan tafel zodat je met input uit alle disciplines een machine ontwikkelt. Vroeger bij Philips gebeurde het weleens dat iemand er aan het eind van zo’n proces met een ingewikkelde fem-som achter kwam dat het thermisch niet ging werken. Daarom zijn we het vakgebied gaan ontwikkelen.’

De specialisten van het eerste uur ontdekten dat de technieken die ze allang toepasten in de dynamica ook in het thermische domein bruikbaar zijn. ‘In de dynamica en de regeltechniek gebruiken we state space-modellen en zijn eigenfrequenties en mode shapes belangrijke grootheden’, legt Ruijl uit. ‘Zo’n model is niets anders dan een set differentiaalvergelijkingen. Thermische effecten worden ook met differentiaalvergelijkingen beschreven. En voor de wiskunde maakt het niet uit of je een mechanisch-dynamisch of een thermisch-dynamisch systeem doorrekent.’

Helemaal hetzelfde is het niet. In het thermische domein zijn er geen objecten die zich als een massa-veersysteem gedragen; de temperatuur schiet niet door, maar loopt geleidelijk terug, als een eerste orde systeem. Stel je een metalen plaat voor die je in het midden verhit met een verwarmingselementje. Zodra je dat weghaalt, zal de plaat afkoelen, maar hij wordt nooit ergens kouder dan de omgeving. De temperatuurverdeling als functie van de tijd kun je prima modelleren.

Ruijl en zijn collega’s recycleden de wiskundige technieken uit de dynamica. ‘Nog steeds gebruiken we tools van bijvoorbeeld Ansys of Mathworks om de berekeningen uit te voeren. Mechanische trillingsvormen zijn allang in die pakketten opgenomen. Die thermische shapes niet, ook al zat de technologie er al wel in. Toen we er een jaar of twintig geleden mee begonnen, hebben we Ansys gevraagd of ze ons toegang konden geven tot die feature. Het heeft heel lang geduurd, maar nu hebben ze er een knopje voor ingebouwd. Dat laat wel zien dat het vrij uniek is hoe we hier in Nederland met een mechatronicabril naar thermische effecten kijken. Het is echt anders dan een zuivere natuurkundige benadering waarbij het vaak om de thermodynamica in processen gaat. Wij linken het aan mechatronische systemen.’

Bewust onbekwaam

Om het thema goed op het netvlies van zijn medewerkers te krijgen, ontwikkelde Philips een speciale training: ‘Thermal effects in mechatronic systems’. De driedaagse cursus heeft inmiddels onderdak gevonden bij High Tech Institute. Naast Rob van Gils (Philips), Marco Koevoets (ASML) en Jack van der Sanden (ASML) is Theo Ruijl zelf een van de docenten.

Thermal effects in mechatronic systems

Acquire theoretical and practical background on design, simulation, measurement and compensation techniques that are essential in the development of precision modules/systems that are subject to internal or external thermal loads.

Meer informatie

‘Je kunt in drie dagen natuurlijk geen volledige opleiding geven’, geeft Ruijl toe. ‘Daarvoor is het publiek te breed; er komen mensen van allerlei pluimage op de training af. Sommigen hebben nooit wat met tems gedaan, sommigen zijn al behoorlijk ervaren. Sommigen zijn constructeurs, anderen regeltechnici.’

Op de eerste dag krijgen de cursisten een inleiding in de fysische achtergronden. ‘Warmteoverdracht als straling, geleiding, convectie’, somt Ruijl op. ‘Hoe reken je eraan? Veel weetjes, tips en tricks. Daarna gaan we wat dieper en doen we simulaties met Matlab/Simulink.’ Dan is de basis gelegd. ‘Het doel is dat iedereen daarna dezelfde taal spreekt.’

De tweede dag gaat over meettechnieken. ‘Het meten van de temperatuur is namelijk een kunde op zich’, benadrukt Ruijl. ‘Sowieso zijn er heel veel verschillende sensortypes. Maar hoe meet je nauwkeurig? En op welke plek? En meet ik de temperatuur van het object of van de lamp die erop staat te stralen? Samen met Jack heb ik ooit een systeem ontwikkeld om heel precies de watertemperatuur te regelen. Met een klein spiraaltje in de stroom konden we heel snel en heel nauwkeurig opwarmen. Toen hebben we er een mooie beursopstelling van gemaakt, met mooie perspexbuizen zodat je alles goed kunt zien. Helaas kregen we de temperatuur niet meer stabiel. Hè?! Het was zelfs zo erg dat als je langs de demo liep, de temperatuur op en neer ging. Het bleek dat de tl-verlichting in de hal de sensor beïnvloedde. Zoiets doe je maar één keer fout’, lacht Ruijl.

Daarna mogen de cursisten zelf modelleren. Matlab is de gebruikte tool, hoewel het geen speciale toolbox voor thermische effecten heeft. ‘En we behandelen een cryogene case uit de praktijk’, vertelt Ruijl. ‘Hoe meet je bij bijvoorbeeld 77 kelvin? Welke materialen kun je dan het best gebruiken? Cryogeen is heel belangrijk voor veel wetenschappelijke experimenten, maar ook voor bedrijven zoals Thermo Fisher speelt het een rol.’

Wat is de les die de tems-cursisten meekrijgen? ‘Het belangrijkste is dat ze de taal verstaan’, antwoordt Ruijl. ‘Verder maken we ze bewust van de zaken waarop ze moeten letten en waarmee ze rekening moeten houden. Bewust onbekwaam. Dat is heel waardevol, omdat constructeurs met die kennis fouten vroegtijdig kunnen ondervangen door er nog een keer extra naar te kijken of er een specialist bij te halen. In een designgroep zou eigenlijk ook altijd een thermisch specialist moeten zitten.’