‘Zonder reproduceerbaarheid ben je nergens’

Stel je wilt een machine bouwen die zo nauwkeurig een gat in een stuk metaal kan boren dat twee producten ervan perfect op elkaar met een paspen kunnen worden verbonden. Hoe moet zo’n machine eruitzien? En hoe zorg je voor de gewenste precisie? Als je allebei de gaten op dezelfde machine een klein beetje scheef boort, gaat de pen er immers wel doorheen. Maar als de afwijking niet in dezelfde richting is, lukt dat niet. En als je nu twee van die boormachines naast elkaar zet en de output combineert, wat worden dan de eisen? Of nog extremer, wat als je het ene onderdeel inkoopt in China en het andere in de VS, welke requirements moet je dan meegeven om de paspen te laten passen?

Zelfs bij zo’n simpel voorbeeld als het boren van een gat blijkt dat het helemaal niet zo triviaal is om superhoge nauwkeurigheid te halen. Zaken als meetonzekerheid, reproduceerbaarheid en herleidbaarheid moeten goed zijn gedefinieerd. Als je die als systeemontwerper niet onder de knie hebt, kun je de nauwkeurigheid wel vergeten.

De term ‘nauwkeurigheid’ wordt vaak niet goed gebruikt, stelt Rens Henselmans, cto van Dutch United Instruments en docent bij High Tech Institute. ‘Het is een kwalitatief begrip: iets is nauwkeurig of niet. Maar er hangt geen getal aan.’ Op zich is dat niet erg, heeft hij ervaren, ‘als je van elkaar maar weet wat je bedoelt. Meestal gaat het over de meetonzekerheid. Dat wil zeggen, een bepaalde waarde plus of min een standaarddeviatie.’

Metrology and calibration of mechatronic systems

This course focuses on the various aspects related to metrology and calibration of precision modules/systems. Participants will acquire theoretical background and practical insights incl. do’s & don’ts – both on system design level as on detailed engineering level – related to metrology and calibration that are essential to successfully develop and build precision modules/systems.

Meer informatie

Metrology and calibration of mechatronic systems

This course focuses on the various aspects related to metrology and calibration of precision modules/systems. Participants will acquire theoretical background and practical insights incl. do’s & don’ts – both on system design level as on detailed engineering level – related to metrology and calibration that are essential to successfully develop and build precision modules/systems.

Meer informatie

De meter

Reproduceerbaarheid wordt dan weer vaak verward met repeatability, of herhaalnauwkeurigheid. Repeatability is de variatie die optreedt als je processen herhaalt, onder exact dezelfde omstandigheden. ‘Hetzelfde weer, dezelfde tijd van de dag, dezelfde voorgeschiedenis’, somt Henselmans een aantal randcondities op. ‘Reproduceerbaarheid is diezelfde variatie, maar dan bij variabele omstandigheden, zoals een andere operator of zelfs een andere locatie. Het is de moeilijke versie van herhaalnauwkeurigheid omdat er meer variabelen in het spel zijn.’ Die systeemeis is echter wel essentieel. ‘Zonder reproduceerbaar gedrag heb je niks’, aldus Henselmans. ‘Als je machine niet altijd hetzelfde doet, kun je systeemfouten niet corrigeren of kalibreren. Reproduceerbaarheid is de ondergrens van wat je machine ooit zal kunnen, als je de systematische fouten perfect zou kunnen kalibreren.’

Dan herleidbaarheid. ‘Internationaal zijn er afspraken gemaakt over hoe lang een meter precies is’, vertelt Henselmans. ‘Bij het Nederlands Meetinstituut hebben ze daar een afgeleide van, en elk kalibratiebedrijf heeft daar weer een afgeleide van. Hoe dieper je in de keten komt, hoe groter de afwijking van die standaard en dus ook hoe groter de onzekerheid. Als je een meting presenteert met een onzekerheid, dan moet je eigenlijk aangeven hoe de onzekerheden van alle onderdelen in de keten kunnen worden herleid naar die ene primaire standaard. Heel simpel, maar het wordt vaak achterwege gelaten als er over nauwkeurigheid wordt gesproken.’

Gelukkig hoeft dat ook niet altijd. ‘Als je een wafer beschrijft, zal het je worst zijn of de diameter van die wafer exact 300 mm is’, geeft Henselmans een voorbeeld. ‘Het gaat er alleen om dat de patronen netjes op elkaar komen. Zelfs als het patroon enigszins vervormd is, is er niet direct een man overboord, zo lang die vervorming maar in elke laag hetzelfde is. Het wordt pas lastig als je een volgende belichting op een andere machine wilt doen, of zelfs op een systeem van een andere fabrikant. Dan moeten ze op z’n minst allemaal dezelfde afwijking hebben en kom je langzaamaan op het punt dat alles toch herleidbaar moet zijn naar eenzelfde referentie en dus uiteindelijk naar de meter van het NMI.’

Gezond verstand

Wat echt nodig is, hangt sterk af van de toepassing en het budget dat je als ontwerper meekrijgt. ‘Techneuten zijn gauw geneigd om te veel te willen en om te laten zien dat ze uitdagende requirements kunnen halen. Maar daar wordt het ontwerp vaak veel te duur mee’, aldus Henselmans. Zijn bedrijf, Dutch United Instruments, ontwikkelt een machine om de vorm van asferische en vrijevormoptiek te meten, gebaseerd op zijn promotieonderzoek uit 2009. ‘Bij de start van dat project wilden we een meetonzekerheid van 30 nanometer in drie richtingen halen. Op een gegeven moment viel het kwartje. Optische oppervlakken zijn altijd glad en glooiend. Als je met een optische sensor loodrecht op het oppervlak meet, is een onnauwkeurigheid in die richting een-op-een een meetfout. Daar is die nanometerprecisie dus echt nodig. Maar rakend aan het oppervlak meet je geen dramatisch andere afstand. In die laterale richtingen volstaan micrometers. Dat maakte het probleem ineens tweedimensionaal in plaats van driedimensionaal.’

Gebruik dus altijd je gezond verstand als je over nauwkeurigheid nadenkt. ‘Je kunt best van regeltjes afwijken, als je maar weet wat je doet’, zegt Henselmans. De benodigde kennis komt met ervaring. ‘Je leert heel veel van goede en slechte voorbeelden.’ Daarom gebruikt Henselmans tijdens de training ‘Metrology and calibration of mechatronic systems’ van High Tech Institute veel voorbeelden uit de praktijk, onder meer zijn eigen optiekmeetmachine en een pak-en-plaatsmachine. ‘We doen veel oefeningen en sommetjes waarin een valkuil zit verstopt en de cursisten leren van hun eigen fouten.’

Abbe

Voor wat betreft de metrologie in je machine, moet je goed nadenken waar je de sensoren plaats. ‘Denk aan een schuifmaat’, zegt Henselmans. ‘De schaalverdeling zit daar niet in lijn met je meting. Als je dus hard op die bekken drukt, kantelen ze een beetje en krijg je een ander resultaat. Dit effect speelt in bijna alle machines, ook in een coördinaatmeetmachine. Tussen de taster en de liniaal zitten daar allerlei componenten en assen die de meting kunnen beïnvloeden. Voor tilt van sledes heeft dat grote gevolgen.’

De bewustwording van die effecten, noemt Henselmans een van de belangrijkste lessen van de training. ‘Het gaat om de complete meetlus met allemaal elementen die bijdragen aan het totale foutenbudget’, legt hij uit. Over het algemeen wil je die lus zo klein mogelijk houden en dus de sensor zo dicht mogelijk bij de daadwerkelijke meting brengen. ‘Helaas zit er vaak een machineonderdeel of een product in de weg en is het lastig om aan dat Abbe-principe te voldoen. En je moet je realiseren dat je niet alleen op de wereld bent. De metroloog zal inderdaad de voorkeur geven aan korte afstanden omdat hij volgens het Abbe-principe dan de hoogste nauwkeurigheid haalt. De dynamicus wil juist graag in lijn met het zwaartepunt meten; anders meet hij allerlei slingeringen waardoor zijn regeling wordt verstoord. De metroloog zal opwerpen dat die slingeringen juist interessant zijn omdat ze het systeemgedrag beïnvloeden. Het is dan zoeken naar de juiste balans.’

Het maken van die afweging komt in de cursus aan bod. Belangrijk daarbij is dat je voldoende kennis hebt van de verschillende sensoren en hun voor- en nadelen. Onder meer interferometers, encoders en visiontechnologie worden daarom behandeld door specialisten op die gebieden.

Omgekeerde waterpas

Als je de metrologie en de reproduceerbaarheid in je systeem op orde hebt, is het tijd voor de kalibratie. ‘Om te corrigeren voor systematische fouten’, verduidelijkt Henselmans. De tweede helft van de training gaat over hoe je dat doet. ‘De moraal van dat verhaal is dat je kalibratie niet achteraf in je systeem kunt knutselen. Je moet van tevoren bedenken hoe je de kalibratie gaat uitvoeren en waar je welke sensoren en referentieobjecten nodig hebt. Als je daarmee wacht tot het eind, krijg je dat er niet meer in gepast.’

Voordat je jezelf in de hoek hebt geschilderd, moet je dus op een rijtje hebben waar de foutbronnen zitten, welke je moet kalibreren en vooral ook hoe je dat gaat doen. Henselmans: ‘In mijn tijd bij TNO hebben we eens een voorstel gemaakt voor een instrument om satellieten door te meten. Een systeem van ongeveer een kubieke meter grootte. Dat zouden we in onze eigen vacuümketel wel even testen. We hadden al allerlei scenario’s opgesteld toen een van de optici opmerkte dat je een bepaalde meting op een afstand van zeven meter moest doen omdat daar de pupil zat. We moesten de kalibratie dus uitvoeren in een speciale ketel bij een gespecialiseerd bedrijf, wat duizenden euro per dag kost. Toch fijn dat we daarachter kwamen voordat we onze aanbieding aan de opdrachtgever hadden gestuurd.’

Op de markt zijn best kalibratietools en referentieobjecten te vinden, maar Henselmans heeft ervaren dat je toch vrij snel vastloopt. ‘Zeker voor wat grotere objecten droogt de lijst met mogelijkheden gauw op’, weet hij. Designers moeten dan terugvallen op trucs zoals omkering. ‘Een wonderschoon en simpel concept’, zegt Henselmans en hij legt uit: ‘Denk aan een waterpas. Die kun je tegen een deurpost houden om te bepalen hoe scheef die staat. Draai de waterpas daarna ook even om en kijk of het belletje nu precies aan de andere kant van het midden staat. Zo niet, dan zit het buisje blijkbaar scheef in de waterpas. Je hebt dan twee metingen, dus twee vergelijkingen met twee onbekenden zodat je tegelijkertijd de waterpas en de deur kunt kalibreren. Die truc kun je ook ingewikkelder maken, met meer vrijheidsgraden en tot op de nanometer nauwkeurig. Dat maakt dat je veel verder kunt komen dan met het op de markt beschikbare gereedschap.’

Nog mooier is om deze techniek in je ontwerp te verwerken zodat de machine zichzelf kan kalibreren. ‘Maak het onderdeel van het proces van je machine’, adviseert Henselmans. ‘Dan schiet de stabiliteitseis van het systeem drastisch omlaag en wordt het systeemontwerp veel eenvoudiger.’