Een ontwikkelaar van geavanceerde productieautomatisering als IMS moet goed op de hoogte zijn van de mogelijkheden en beperkingen van verschillende onderdelen in hightech machines. Roy Kelder, R&D-engineer bij het bedrijf uit Almelo, besloot zijn kennis van actuatoren op dit gebied te verbreden via een cursus ‘Actuation and power electronics’.
Bij de ontwikkeling van een nieuwe machine is niet altijd vooraf duidelijk welke technische oplossing zal werken. Zeker wanneer hoge positienauwkeurigheid, vacuüm of warmte een rol spelen, moet een ontwikkelaar van geavanceerde productieautomatisering als IMS eerst onderzoeken waar de mogelijkheden en grenzen liggen. Zulke vraagstukken komt Roy Kelder daar als R&D-engineer regelmatig tegen.
‘Binnen IMS hebben we grofweg drie technische afdelingen: mechanisch, software en R&D’, legt Kelder uit. ‘Projecten worden ondergebracht bij software en mechanisch, nadat R&D in het voortraject heeft meegekeken naar wat nodig is. Omdat onze klanten vaak vooroplopen met hun producten, komt het regelmatig voor dat wat zij wensen nog verder onderzocht moet worden. In zo’n geval kan een projectteam iemand van de afdeling R&D erbij halen met de specialistische kennis die voor dat project nodig is.’
Als R&D-engineer ondersteunt Kelder verschillende projecten. Momenteel werkt hij op een medisch project rondom pacemakers aan een proof of concept (POC), voor een hersenboor aan de validatie en ondersteunt hij een smart industry-project vooral op regeltechnisch gebied.
Als ontwikkelaar van geavanceerde productieautomatisering ontwerpt IMS de volledige actuator doorgaans niet zelf. Het bedrijf vertaalt de eisen van de machine en de gewenste toepassing naar een passende actuatoroplossing. Dat is niet zo simpel als een paar specificaties vergelijken. Zeker wanneer een machine dicht tegen de technische grenzen aan komt, moeten engineers goed begrijpen hoe de verschillende componenten zich onder verschillende omstandigheden gedragen.
Minder bekende actuatoren
Een voorbeeld is de selectie van de juiste motor. Hier kijkt een engineer onder meer naar de benodigde statische en dynamische krachten en hoe de bewegingscyclus eruit gaat zien. Ook warmteontwikkeling, aansturing en feedback met behulp van een encoder of andere sensoren tellen mee. Daarnaast moet rekening worden gehouden met praktische aspecten zoals de beschikbare ruimte, gewicht, omgevingscondities, betrouwbaarheid en kosten. ‘Je ontwerpt de motor misschien niet zelf’, zegt Kelder, ‘maar je moet wel begrijpen wat erachter zit en waar de grenzen liggen.’
Om zijn kennis van de mogelijkheden hierbinnen te verbreden, volgde Kelder bij High Tech Institute de cursus ‘Actuation and power electronics’. Daarin werden verschillende soorten motoren en actuatoren behandeld, samen met de bijbehorende vermogenselektronica. Ook kwam aan bod hoe mechanische en elektronische ruis in de regelkring kunnen worden meegenomen om een systeem nauwkeurig en robuust te laten functioneren.
Vooral de uitleg over minder bekende actuatoren leverde Kelder nieuwe mogelijkheden op. Zo heeft hij bij IMS nog weinig met piëzoactuatoren gewerkt. Hierdoor is de drempel wat hoger om dit type actuator bijvoorbeeld mee te nemen in een POC. Nu hij beter begrijpt hoe ze werken en wanneer ze geschikt zijn, is dat veranderd. ‘Het is dan minder spannend om zo’n actuator voor te stellen, omdat ik beter weet wat je ermee kunt.’
Ook stroomontlading in vacuüm kwam tijdens de cursus uitgebreid aan de orde. Bij een Townsend-ontlading kunnen elektronen een lawine aan nieuwe elektronen veroorzaken, met uiteindelijk elektrische doorslag als gevolg. Dit is belangrijk bij het selecteren van de aanstuurspanning van actuatoren. De gekozen spanning moet voldoende zijn voor de gewenste werking en passen bij de kamerdruk, de onderlinge afstanden en de geometrie van de componenten om ongewenste elektrische ontlading of doorslag te voorkomen. Door de grafieken en visualisaties kreeg Kelder een beter begrip van dit effect en van de invloed van de onderlinge afstand tussen componenten.
Waardevol
De cursus werd gegeven door twee professionals uit het veld. ‘Beiden hadden de praktijkkennis om echt in het vakgebied te duiken,’ vertelt Kelder. ‘Bart Gysen van Prodrive presenteerde de fysica van actuatoren aan de hand van praktische voorbeelden. Zijn inhoudelijke expertise kwam duidelijk naar voren en hij wist ook moeilijke vragen helder en onderbouwd te beantwoorden.’ Jeroen van Duivenbode van ASML zat meer op de power electronics. ‘Ook hij had duidelijk veel praktijkervaring, maar wel vanuit een andere hoek dan Gysen.’ Die praktijkvoorbeelden vond Kelder erg waardevol. ‘Daar had ik nog wel meer van gewild.’
Niet ieder onderdeel van de cursus was direct toepasbaar. Zo waren de simulaties van magnetische velden in Python voor Kelder minder bruikbaar. De kennis kan volgens hem echter best nog eens van pas komen bij een toekomstig project.
Dat de cursus inhoudelijk de diepte in zou gaan, had Kelder vooraf al verwacht. In 2022 volgde hij via High Tech Institute ‘Thermal effects in mechatronic systems’. Daar stond de invloed van warmteontwikkeling in verschillende materialen binnen een machine centraal. Tijdens die cursus werkte hij met lumped capacitance-modellen in Python en Matlab, waarmee al vroeg in het ontwerpproces kan worden berekend hoe warmte zich door een machine verspreidt, hoe snel onderdelen opwarmen en wat de gevolgen daarvan zijn voor het systeem.
Wanneer een component warm wordt, kan de warmte zich naar omliggende onderdelen verplaatsen en materialen laten uitzetten. Hoe groot dat effect is, hangt onder meer af van de materiaalsoort, de geometrie en de verbindingen tussen de componenten. Ook de omgeving maakt verschil. ‘In vacuüm is warmteoverdracht door luchtstroming verwaarloosbaar, waardoor geleiding en straling een grotere rol krijgen. Gezien IMS regelmatig werkt aan machines die hoge temperaturen bereiken, is deze kennis zeer bruikbaar binnen mijn werk’, aldus Kelder.
Beide cursussen waren direct waardevol voor de projecten waar Kelder aan werkt. ‘Thermal effects’ hielp hem onder meer het grotere plaatje te zien voor een inspectiemachine waar hij destijds aan werkte. Van ‘Actuation and power electronics’ kon hij de theorie rond de Townsend-lawine direct toepassen. Ook werkt hij dagelijks aan regeltechnieken waar het cursusmateriaal goed op aansluit.
Een mogelijk vervolg voor Kelder bij High Tech Institute is ‘Advanced motion control’, maar die staat nog niet direct op de planning. ‘Ik wil deze kennis eerst laten beklijven. Daarna bekijk ik wel waar ik het opleidingsbudget voor volgend jaar het beste aan kan besteden.’
Dit artikel is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met High Tech Institute.
