De magie van precisie-engineering

Precisietechnologie is geen vastomlijnd begrip, deze gereedschapskist van hightech constructeurs verandert met de tijd. Om daar een beeld van te krijgen, nodigde High Tech Systems Magazine Huub Janssen, Erik Manders, Adrian Rankers en Marc Vermeulen uit voor een gesprek over de precisiewereld, de veranderende trends en eisen in de hightech. En over hoe het is om in dit vakgebied te werken. In het tweede deel gaan we in op de invloed die dat heeft op de training ‘Design principles for precision engineering’ (DPPE).

Net als Janssen draaien Manders en Vermeulen al decennialang mee in de hightech, al verschillen hun functies en interesses. Janssen is eigenaar van een hightech ingenieursbureau. Hij was zeven jaar boegbeeld van de DPPE-training. Het nieuwe duo dat de grote lijnen mag uitzetten, werkt bij ASML: Manders als principal systems architect mechatronics, Vermeulen als principal mechanical system architect. Adrian Rankers werkte onder meer als afdelingsleider Mechatronics Research bij Philips CFT en is nu als partner van Mechatronics Academy (MA) onder andere verantwoordelijk voor de training DPPE, die MA via High Tech Institute op de markt brengt.

‘Dertig jaar geleden was positioneren op de micrometer een vakgebied van een andere planeet’, zei Janssen in 2019 toen hij DPPE-boegbeeld werd. Bij zijn afstuderen midden jaren tachtig hielden ontwerpers zich nog bezig met micrometers. ‘In de loop der jaren is dat naar nanometers opgeschoven’, constateert hij nu.

Met zijn bedrijf JPE ontwikkelt Janssen sinds begin jaren negentig mechatronische modules voor de hightech, wetenschappelijke instrumenten voor wetenschappelijk onderzoek en meer recent systemen voor quantumcomputers. ‘Als je nu met die fysici praat, dan hebben ze het over picometers zonder met de ogen te knipperen. Voor mij voelt dat bijna als filosofisch.’

Verrassingen

Het klinkt wellicht tegenstrijdig, maar het begrip precisietechnologie is moeilijk vast te pakken. De discipline is in feite een schier oneindige gereedschapskist die ontwerpers veel ruimte laat voor creativiteit. Geef tien van hen een probleem en je krijgt oplossingen die in richting en detail aanzienlijk kunnen afwijken. De ontwerpaanpak verschilt sterk per toepassing maar is ook onderhevig aan trends en veranderende eisen. Over een tijdsbestek van een paar jaar zie je de eisen en aanpak nauwelijks wijzigen, maar kijk je over tien jaar, dan kunnen ontwerpen en de manier waarop ze tot stand komen diametraal verschillen.

Zoiets als een heilige graal of in alle gevallen beste ontwerpregels bestaan niet in de precisietechnologie. Best practices verschillen per markt, systeem of toepassing. Janssen kwam daar al achter toen hij vers uit de collegebanken bij ASML in dienst kwam. ‘Bij Wim van der Hoek had ik geleerd om iets statisch bepaald te construeren’, zegt hij, ‘maar bij ASML zag ik dat dat ook kan misgaan. Voor de PAS 2500-waferstepper hadden we midden jaren tachtig aanvankelijk een nieuwe interferometer-ophanging ontwikkeld om de positie van de stage in de x- en y-richting te meten. Dat deden we compleet volgens Van der Hoekse constructieprincipes, met elastische elementen enzovoorts. Maar toen we dat ding aan de praat kregen, bleek er geen enkele demping in te zitten. Het bewoog wel reproduceerbaar, maar alles bleef trillen. Door die puur elastische elementen dempte het niet uit. Het was gewoon een ramp. Daar leerde ik dat je Van der Hoekse constructies niet te pas en te onpas kunt gebruiken. Je moet weten wanneer je het doet.’

De steeds hogere eisen aan precisie in de systeembouw beïnvloeden de ontwerpkeuzes sterk. Vermeulen: ‘Met de nauwkeurigheid neemt de complexiteit toe. Iedere keer moet je het probleem een stukje verder afpellen. Steeds loop je weer aan tegen nieuwe fysische fenomenen die eerder geen significante invloed hadden en ineens opspelen. Je moet dan tot de kern gaan: wat is hier fysisch aan de hand?’

Vermeulen geeft als voorbeeld de toepassing van passieve demping op de korte-slag-waferstage van lithografische scanners. ‘Dat was nogal een horde die we rond 2015 moesten nemen, want wat je ontwerpt, moet voorspelbaar zijn. Als je in termen van stijfheden en massa’s denkt, dan gaat dat nog wel. Maar we wisten in het begin niet hoe een demper zich zou gedragen. Zou die verouderen? Kruip vertonen? Dat moesten we helemaal doorgronden. Dat betekende modelleren hoe demping uitwerkt op de dynamica. We kregen dat in het begin niet gematcht, maar toen we het uiteindelijk rond kregen, konden we de metingen en het model op elkaar leggen. Pas toen we er redelijk zeker van waren dat we het snapten, konden we de volgende stap zetten. Als je dit niet goed doet, dan blijft het gissen, kun je het gedrag niet goed voorspellen en kom je later voor verrassingen te staan.’

Een ander voorbeeld zijn problemen die kunnen ontstaan bij het opvoeren van de productiviteit. Met name bij watergekoelde onderdelen is het een uitdaging om dit onder controle te houden. Iedereen kent het klappen van de waterleiding als je snel een kraan sluit. Op dezelfde manier ontstaan er door versnelling drukgolven in systemen met waterkoeling. ‘Die golven moet je dempen, want drukpulsen geven vervorming’, zegt Vermeulen. ‘Je moet doorgronden hoe dat werkt.’

Manders: ‘Op micrometerschaal heb je er geen last van, maar een glazen blok vervormt wel degelijk op nanometerniveau als de druk verandert. Eigenlijk is dit fysische problematiek op systeemniveau.’

Eenvoud

De belangrijkste benadering is streven naar eenvoud. Dat leidt tot robuuste en kostengunstige constructies. Maar er is nog een belangrijke reden om het simpel te houden. Als een gekozen oplossing eenmaal in een product zit, dan zullen ontwerpers die daarop voortbouwen dat deelsysteem niet snel wijzigen. ‘Kies je voor complexiteit, dan krijg je dat er nooit meer uit’, vat Rankers het samen. ‘Als je eenvoud niet bij voorbaat afdwingt, dan blijf je er last van hebben. Het blijft zeuren.’

Janssen: ‘Als het werkt, dan durft niemand er meer aan te komen. Als je reserves inbouwt, zal niemand later opperen om die weg te laten. Want iedereen zal tegenwerpen: ‘Weet je wel zeker dat het dan nog werkt?’ Je kunt wel raden wat de einduitkomst is.’

Vermeulen: ‘Precies. Niemand durft terug. Je begint met een ontwerp, maakt daarna een testopstelling en als het zich min of meer bewezen heeft, dan ga je ervoor.’

Manders: ‘Complexe afstellingen of kalibraties moet je dus voorkomen, want die gaan nooit meer weg. Het projectteam dat daarna komt, zegt: ‘We kopiëren dit, want het werkt. We doen het weer zo.’’

Het zijn pittige afwegingen, stelt Janssen. Ontwerpkeuzes kunnen zeer uiteenlopend zijn en afhankelijk van toepassing en markt. ‘Voor semicon-equipment wil je alles honderd keer doorrekenen voordat je de machine bouwt. Designers pakken wellicht wat reserve in hun deel om de constructie voor elkaar te krijgen. Maar alle beetjes marge in de vele budgetten maken een oplossing soms onmogelijk of veel te ingewikkeld. Soms moet je ook echt alles uit de kast halen om het laatste stukje precisie te kunnen bereiken. Maar daarna kun je niet meer terug.’

Bij zijn bedrijf JPE moedigt Janssen zijn ontwerpers aan om in sommige gevallen meer risico te nemen. ‘Het kan vaak goedkoper. Iets dunner en wat minder stijf, dan is het sneller klaar en goedkoper. Dat moet je inderdaad wel durven.’

Manders: ‘Maar soms kost reserve bijna niets. Door slim te construeren, is vaak nauwkeurigheid te verkrijgen zonder veel extra maakstappen te doorlopen. Bijvoorbeeld door slim te kijken of je in één opspanning meerdere vlakken kunt frezen en kunt profiteren van de heel erg nauwkeurige freesmachines van tegenwoordig. Hoe dan ook is het belangrijk om er gevoel voor te ontwikkelen.’

Grote geheel

Manders startte bij Philips CFT als constructeur. De afgelopen jaren had hij bij de mechatronica-afdeling van Philips Engineering Services, die in 2023 overging naar ASML, een meer coachende rol als systeemarchitect in een team met zo’n honderd collega’s en technici bij toeleveranciers. ‘Ja, dan zit je in heel veel reviews.’

Hij ziet zijn rol als ‘het overzicht bewaren tussen de disciplines’. ‘Ik probeer het cement tussen de steentjes te zijn. Uiteindelijk moet het functioneren. Dat is het spel.’

Janssen koos er al vroeg in zijn loopbaan voor om een eigen bedrijf te beginnen, Janssen Precision Engineering, later JPE. Manders en Vermeulen werken juist in een omvangrijke organisatie waar ze met veel collega’s en toeleveranciers moeten afstemmen. ‘Ik moet twintig ballen in de lucht houden met uitdagende techniek’, beschrijft Janssen zijn baan, die hij ook ziet als hobby. ‘Intussen moet ik kijken wat de markt wil. We zijn geen groot bedrijf, maar we hebben wel heel veel impact en dat wereldwijd.’

Hoe is dat in een veel grotere organisatie als ASML? Vermeulen: ‘Iemand die net binnenkomt, pakt maar een heel klein stukje vast. De uitdaging is om die persoon ook te laten inzien wat zijn bijdrage betekent voor het grote geheel.’

Manders: ‘Er werken duizenden mensen aan onze machines. Je kunt het als starter niet meteen doorgronden. De complexiteit is imponerend.’

De grondleggers bij ASML hadden volgens Manders het voordeel dat ze begonnen met eenvoudigere apparaten. ‘Die konden ze beter doorgronden en dat was hun ankerpunt toen de machines complexer werden. Mensen die pas in dienst zijn, zien in het begin door de bomen het bos niet. Ze moeten erin groeien, de context gaandeweg ontdekken.’

Voetbalteam

In zo’n groot team heeft ieder zijn rol. ‘Wat de servologen en flowdynamici in mijn team allemaal uitrekenen, zou ik niet kunnen’, zegt Manders, die zich meer dirigent zegt te voelen. ‘Ik probeer minder ervaren collega’s richting te geven en gevoel voor de context. Waarom doen we dit, waar gaan we naartoe? Je probeert zo’n club te laten samenspelen, er iets moois van te maken. Maar een goed orkest speelt eigenlijk vanzelf.’

Rankers: ‘In je uppie krijg je die complexe modules niet voor elkaar. Wat dat betreft, is het net een voetbalteam. Daar scoort de coach zelf ook geen doelpunten.’

Vermeulen herkent dat. ‘Ik ben verantwoordelijk voor de techniek, maar ook voor de manier van samenwerken. Dat is misschien wel de helft van mijn tijd: leiderschap tonen. Je hebt invloed op hoe je samenwerkt. Als systeemarchitect breng je de boel samen en geef je richting. Je vraagt je experts wat vanuit hun perspectief de beste oplossing is en dat levert een gebalanceerd ontwerp op. Er kunnen honderd of honderdvijftig mensen in een team werken, maar de manier waarop ze samenwerken is key.’

Manders vindt het jammer dat hij zelf niet meer construeert. Maar zijn huidige functie is net zo uitdagend, zegt hij. ‘Nu ben ik meer bezig om alles in balans te houden en systeemkeuzes te maken in grote projecten.’

Vermeulen herkent die rol als coach. ‘Het is uit- en inzoomen. De grote lijn in de gaten houden.’

Manders: ‘Heel veel een-op-eentjes, gehurkt bij collega’s, sparren waar het naartoe moet. Soms ook uitzoomen en dan tot de conclusie komen dat je op het verkeerde spoor zit. Dat het helemaal anders moet.’

Manders heeft het over ‘de charme’ van het ontwerpen. ‘Uit alle afwegingen die je met je team maakt, komt iets moois als het goed is. Het is leuk om het vanaf de zijkant als architect te zien groeien. Soms komen mensen bij de koffieautomaat met heel verrassende ideeën. Het tot stand komen van een ontwerp is een magisch proces. De complexere modules kun je ook echt niet meer in je eentje ontwerpen.’

Vermeulen: ‘Het is een en een is drie. De een zegt iets, wat de ander op een idee brengt. Een derde komt dan weer met iets verrassends enzovoorts.’

Janssen: ‘Maar uiteindelijk moet er wel iemand een richting kiezen.’

Dit artikel is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met High Tech Institute.