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“This course already changed our vendor interactions.”

mechatronics
Working as a particle accelerator engineer, Curt Preissner ran into the limits of their design philosophy. Which is why he and a colleague took the Mechatronics system design (metron) – part 1 course at the High Tech Institute. This allowed them to introduce a new design approach into the synchrotron community, and better talk to vendors. ‘You need to be able to communicate what keeps you up at night.’
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When Curt Preissner took the Metron – part 1 course at the High Tech Institute in Eindhoven, he was impressed by the local expertise, but also the amount of bikes riding around. ‘I bike to work here in the United States, but it’s not at all like in The Netherlands’, he looks back fondly.

Preissner is a mechanical engineer at the Advanced Photon Source (APS), a U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science user facility at DOE’s Argonne National Laboratory in Illinois. This synchrotron, a type of circular particle accelerator, generates radiation in the form of x-rays. These x-rays in turn can be used to, for example, make images of the nanostructure of materials. Preissner is designing a very specific component in that system.

‘In a particle accelerator you accelerate electrons with the use of radio-frequency energy’, explains Preissner. ‘They then oscillate back and forth between the north and south poles of magnets, which produces what we call synchrotron radiation. In our machine, that radiation is in the form of x-rays. The energy of the x-rays we produce ranges from a few KeV all the way up to 100 KeV, so it’s highly penetrating. We take those x-rays and use something called a monochrometer to select a particular wavelength. The instrument I’m designing is an x-ray microscope called the PtychoProbe. This will be a unique, world-class instrument, and it will focus the x-rays down to five nanometers, which doesn’t exist right now. So it will be a world’s first. The x-rays will be focused on the sample and diffract off of it. The diffracted x-rays from the sample will then be collected by a detector, from which we process the data to generate an image that shows the structure of the sample.’

mechatronics

Curt Preissner, credit: Mark Lopez Argonne National Laboratory

New engineering philosophy

Preissner and his colleagues realised that this new design, which demands high degrees of precision, would require them to adopt a new engineering philosophy. ‘The specifications we work with can be very challenging’, says Preissner. ‘Generally, our system is static. Yet on the side of the beamline, things are moving. We have to scan our samples in a different way because the new beams are much more bright. This brightness will allow us to see our samples in greater detail. However, this high photon flux can actually damage the sample, and prevent us from seeing these details . So, we want to do this quickly. We don’t need to work as fast as some semiconductor manufacturing equipment. We scan around seven millimetres per second, which aren’t extremely high velocities. But for what we’re used to, this is quite high. The sample and the x-ray lens, called the zone plate, also needs to maintain registration on the order of 1,25 nanometres. That’s pretty tight. We do that over length scales of about 10 millimetres. This is new territory for us. Which is why we’re looking for new engineering approaches to achieve this.’

''A mechatronic approach is very interesting here. It's great to think about things like error budgeting and dynamic models from the get-go. It's a more integrated approach.''

Integrated approach

After some research, they realised that mechatronics could offer an answer. ‘We first started in the synchrotron community, which isn’t that big’, explains Preissner. ‘There are a countable number of synchrotron instrumentation engineers, probably around a few hundreds, less than a few thousand for sure. The community is not that big. So when we didn’t find the answers we were looking for, we started researching other fields with similar performance specifications. This is how we ended up with semiconductor manufacturing equipment, and in turn the mechatronics approach.’

This approach, while common in some fields, is new in the synchrotron community. Mechatronics, however, might be what they need to keep pushing the technology forward. ‘In the last generation of instruments, ten to fifteen years ago it wasn’t uncommon for a mechanical engineer to sit down with a beamline scientist and just design the mechanics, connect a motion controller, maybe some interferometry, and achieve results that got the scientific job done. The only consideration to dynamics in the design was vibrations, and there was certainly no system-level approach.’, says Preissner. ‘But now the advancements in the accelerator and x-ray optics technology are really forcing us to  push the limits of what we can do. That old approach will not work.,. We need to look ahead; science does not allow us to stand still. The instrument I’m designing will need to be scientifically productive for at least the next ten years. A mechatronic approach is very interesting here. It’s great to think about things like error budgeting and dynamic models from the get-go. It’s a more integrated approach.’

Ending up in the Netherlands

Which is how Preissner and a colleague ended up in The Netherlands taking a mechatronics course at the High Tech Institute. For them it was the ideal way of being quickly plunged into the field. ‘At the APS we don’t always have the luxury to be able to do a huge amount of R&D’, says Preissner. ‘We’re in a time crunch with this project. We need to gain knowledge fast, so we can work with vendors or do our own design. If you look at for example the wafer scanners of ASML, their performance is very impressive. But an important thing to remember is that there’s roughly forty years of development behind them. When we’re designing these instruments we don’t have that time. We need to learn as fast as possible.’

''There's certain key issues in this design that keep me up at night, and we need to be able to communicate that. After the course I could go to a vendor and ask them to, for example, show us their error budget. Or I could talk to them about the controller dynamics overlaid with the mechanics dynamics''

Vendors

One important thing they learned in the course was a new type of language, which allowed them to better speak to their vendors. ‘We’re not just going out and buying something’, says Preissner. ‘We’re proposing things, and deciding whether a vendor can make certain designs. So knowing techniques like error budgeting is important, besides being able to look at designs with a mechatronics view. Getting some formal training accelerated our ability to talk to vendors. There’s certain key issues in this design that keep me up at night, and we need to be able to communicate that. After the course I could go to a vendor and ask them to, for example, show us their error budget. Or I could talk to them about the controller dynamics overlaid with the mechanics dynamics.’

Short timeframe

The course taught them this in a short timeframe. This is important for an engineer like Preissner, who is working on a time-sensitive project for a government-funded organisation. ‘We’re under a high amount of pressure, so we were eager to learn, and did so quite fast. We looked hard for a course that could quickly package this knowledge for us. APS is also a government institution, so we’re using tax dollars. We need to be mindful of how we spend them. We’re always looking at ways to achieve goals in an effective manner, and this course taught us what we needed to know very efficiently.’

All of this is a work in progress according to Preissner. ‘The synchrotron engineering community has been operating in a certain way for a long time. But now people realise that we need to do things differently. This course enabled us to take that different approach.’

''The first part of the training was good, and now we're thinking about taking additional courses.''

Model in a holistic way?

So far the new mechatronics knowledge has mainly been used in contacts with vendors. But Preissner notes that going forward, they want to also use it to design new instruments from the ground up. ‘It’s on the drawing board’, he says. ‘We are wondering if we can take this new approach, and apply it in a more systematic way. Can we model the instrument, the control system model and the influences in a holistic way? What knobs do we need to turn? What control approach would make sense?’

For now, however, Preissner and his colleagues want to expand their knowledge of mechatronics. They’re already looking forward to taking more courses. ‘If you don’t use it, you lose it. So we’re feeling some pressure to apply what we learned as regularly as possible. The first part of the training was good, and now we’re thinking about taking additional courses. When you learn new engineering techniques it takes a bit of time. You have to work with it. It has already changed our vendor interactions. The next step will be changing our own designs from the ground up.’

This article is written by Tom Cassauwers, freelancer for High-Tech Systems.

Recommendation by former participants

By the end of the training participants are asked to fill out an evaluation form. To the question: 'Would you recommend this training to others?' they responded with a 8.9 out of 10.

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“Dieser Kurs hat bereits den Umgang mit unseren Lieferanten verändert.”

Bei seiner Arbeit als Ingenieur für Teilchenbeschleuniger stieß Curt Preissner an die Grenzen der Designphilosophie. Deshalb belegten er und ein Kollege den Kurs Mechatronics system design (metron) – part 1 am High Tech Institute. Dadurch konnten sie einen neuen Designansatz in die Synchrotron-Gemeinschaft einführen und besser mit den Anbietern sprechen. Sie müssen in der Lage sein zu kommunizieren, was Sie nachts wach hält.
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Als Curt Preissner den Metron – Teil 1 Kurs am High Tech Institute in Eindhoven belegte, war er beeindruckt von dem lokalen Fachwissen, aber auch von der Menge an Fahrrädern, die dort herumfuhren. Ich fahre hier in den Vereinigten Staaten mit dem Fahrrad zur Arbeit, aber das ist überhaupt nicht wie in den Niederlanden”, blickt er gern zurück.

Preissner ist Maschinenbauingenieur an der Advanced Photon Source (APS), einer Einrichtung des U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science am Argonne National Laboratory des DOE in Illinois. Dieses Synchrotron, eine Art kreisförmiger Teilchenbeschleuniger, erzeugt Strahlung in Form von Röntgenstrahlen. Diese Röntgenstrahlen können wiederum verwendet werden, um beispielsweise Bilder von der Nanostruktur von Materialien zu machen. Preissner entwirft eine ganz bestimmte Komponente in diesem System.

In einem Teilchenbeschleuniger beschleunigen Sie Elektronen mit Hilfe von Hochfrequenzenergie”, erklärt Preissner. Sie oszillieren dann zwischen den Nord- und Südpolen von Magneten hin und her, wodurch das entsteht, was wir Synchrotronstrahlung nennen. In unserem Gerät liegt diese Strahlung in Form von Röntgenstrahlen vor. Die Energie der von uns erzeugten Röntgenstrahlen reicht von einigen KeV bis hin zu 100 KeV, sie ist also sehr durchdringend. Wir nehmen diese Röntgenstrahlen und verwenden ein so genanntes Monochrometer, um eine bestimmte Wellenlänge auszuwählen. Das Instrument, das ich entwerfe, ist ein Röntgenmikroskop namens PtychoProbe. Es wird ein einzigartiges Instrument von Weltrang sein, das die Röntgenstrahlen bis auf fünf Nanometer fokussiert, was derzeit noch nicht möglich ist. Es wird also eine Weltneuheit sein. Die Röntgenstrahlen werden auf die Probe fokussiert und von ihr gebeugt. Die von der Probe gebeugten Röntgenstrahlen werden dann von einem Detektor aufgefangen, von dem wir die Daten verarbeiten, um ein Bild zu erzeugen, das die Struktur der Probe zeigt.

Mechatronik

Curt Preissner,Kredit: Mark Lopez Argonne National Laboratory

Neue Philosophie der Technik

Preissner und seine Kollegen erkannten, dass dieses neue Design, das ein hohes Maß an Präzision erfordert, eine neue technische Philosophie erfordern würde. Die Spezifikationen, mit denen wir arbeiten, können sehr anspruchsvoll sein”, sagt Preissner. Im Allgemeinen ist unser System statisch. Doch auf der Seite der Beamline sind die Dinge in Bewegung. Wir müssen unsere Proben auf eine andere Art und Weise scannen, weil die neuen Strahlen viel heller sind. Diese Helligkeit ermöglicht es uns, unsere Proben detaillierter zu sehen. Allerdings kann dieser hohe Photonenfluss die Probe beschädigen und uns daran hindern, diese Details zu sehen. Wir wollen das also schnell erledigen. Wir müssen nicht so schnell arbeiten wie einige Geräte zur Halbleiterherstellung. Wir scannen etwa sieben Millimeter pro Sekunde, das sind keine extrem hohen Geschwindigkeiten. Aber für das, was wir gewohnt sind, ist das ziemlich hoch. Die Probe und die Röntgenlinse, die so genannte Zonenplatte, müssen außerdem in einer Größenordnung von 1,25 Nanometern ausgerichtet werden. Das ist ziemlich eng. Wir schaffen das über Längenskalen von etwa 10 Millimetern. Das ist Neuland für uns. Deshalb suchen wir nach neuen technischen Ansätzen, um dies zu erreichen.

''A mechatronic approach is very interesting here. It's great to think about things like error budgeting and dynamic models from the get-go. It's a more integrated approach.''

Integrierter Ansatz

Nach einigen Recherchen wurde ihnen klar, dass die Mechatronik eine Antwort bieten könnte. Wir haben zuerst in der Synchrotron-Gemeinschaft angefangen, die nicht sehr groß ist”, erklärt Preissner. Es gibt eine überschaubare Anzahl von Synchrotron-Instrumentierungsingenieuren, wahrscheinlich ein paar Hundert, sicher weniger als ein paar Tausend. Die Gemeinschaft ist nicht so groß. Als wir also nicht die Antworten fanden, die wir suchten, begannen wir, in anderen Bereichen mit ähnlichen Leistungsanforderungen zu recherchieren. So kamen wir auf die Halbleiterfertigungsanlagen und damit auf den Mechatronik-Ansatz.

Dieser Ansatz ist zwar in einigen Bereichen üblich, aber in der Synchrotron-Gemeinschaft ist er neu. Die Mechatronik könnte jedoch genau das sein, was sie brauchen, um die Technologie weiter voranzutreiben. Bei der letzten Generation von Instrumenten, vor zehn bis fünfzehn Jahren, war es nicht ungewöhnlich, dass sich ein Maschinenbauingenieur mit einem Strahlenforscher zusammensetzte und einfach die Mechanik entwarf, eine Bewegungssteuerung anschloss, vielleicht etwas Interferometrie einsetzte und Ergebnisse erzielte, mit denen die wissenschaftliche Arbeit erledigt war. Die einzige Berücksichtigung der Dynamik bei der Konstruktion waren Vibrationen, und es gab sicherlich keinen Ansatz auf Systemebene”, sagt Preissner. Aber jetzt zwingen uns die Fortschritte in der Beschleuniger- und Röntgenoptiktechnologie wirklich dazu, die Grenzen dessen, was wir tun können, zu erweitern. Der alte Ansatz wird nicht mehr funktionieren… Wir müssen nach vorne blicken; die Wissenschaft erlaubt uns keinen Stillstand. Das Instrument, das ich entwerfe, muss mindestens für die nächsten zehn Jahre wissenschaftlich produktiv sein. Ein mechatronischer Ansatz ist hier sehr interessant. Es ist großartig, von Anfang an über Dinge wie Fehlerbudgetierung und dynamische Modelle nachzudenken. Es ist ein integrierterer Ansatz.’

In den Niederlanden landen

So kam es, dass Preissner und ein Kollege in den Niederlanden einen Mechatronikkurs am High Tech Institute besuchten. Für sie war das der ideale Weg, um schnell in dieses Gebiet einzutauchen. Bei der APS haben wir nicht immer den Luxus, viel Forschung und Entwicklung betreiben zu können”, sagt Preissner. Wir stehen bei diesem Projekt unter Zeitdruck. Wir müssen uns schnell Wissen aneignen, damit wir mit Anbietern zusammenarbeiten oder unser eigenes Design erstellen können. Wenn Sie sich zum Beispiel die Wafer-Scanner von ASML ansehen, ist deren Leistung sehr beeindruckend. Aber man darf nicht vergessen, dass hinter ihnen etwa vierzig Jahre Entwicklung stecken. Wenn wir diese Geräte entwerfen, haben wir diese Zeit nicht. Wir müssen so schnell wie möglich lernen.’

''There's certain key issues in this design that keep me up at night, and we need to be able to communicate that. After the course I could go to a vendor and ask them to, for example, show us their error budget. Or I could talk to them about the controller dynamics overlaid with the mechanics dynamics''

Anbieter

Eine wichtige Sache, die sie in dem Kurs lernten, war eine neue Art von Sprache, die es ihnen ermöglichte, besser mit ihren Verkäufern zu sprechen. Wir gehen nicht einfach los und kaufen etwas”, sagt Preissner. Wir schlagen Dinge vor und entscheiden, ob ein Anbieter bestimmte Entwürfe machen kann. Daher ist es wichtig, Techniken wie die Fehlerbudgetierung zu kennen und die Entwürfe mit einem mechatronischen Blick zu betrachten. Eine formale Ausbildung hat unsere Fähigkeit, mit Anbietern zu sprechen, verbessert. Es gibt bestimmte Schlüsselprobleme in diesem Entwurf, die mich nachts wach halten, und wir müssen in der Lage sein, diese zu kommunizieren. Nach dem Kurs konnte ich zu einem Anbieter gehen und ihn zum Beispiel bitten, uns sein Fehlerbudget zu zeigen. Oder ich könnte mit ihnen über die Dynamik der Steuerung sprechen, die mit der Dynamik der Mechanik überlagert wird.

Kurzer Zeitrahmen

Der Kurs hat ihnen das in einem kurzen Zeitrahmen beigebracht. Das ist wichtig für einen Ingenieur wie Preissner, der an einem zeitkritischen Projekt für eine von der Regierung finanzierte Organisation arbeitet. Wir stehen unter großem Druck, also waren wir begierig darauf, zu lernen, und taten dies auch recht schnell. Wir haben intensiv nach einem Kurs gesucht, der uns dieses Wissen schnell vermitteln konnte. Die APS ist auch eine staatliche Einrichtung, wir verwenden also Steuergelder. Wir müssen darauf achten, wie wir sie ausgeben. Wir sind immer auf der Suche nach Möglichkeiten, unsere Ziele auf effektive Weise zu erreichen, und dieser Kurs hat uns das, was wir wissen mussten, sehr effizient vermittelt.’

All dies ist laut Preissner noch in Arbeit. Die Gemeinschaft der Synchrotrontechniker hat lange Zeit auf eine bestimmte Art und Weise gearbeitet. Aber jetzt erkennen die Leute, dass wir die Dinge anders angehen müssen. Dieser Kurs hat es uns ermöglicht, diesen anderen Ansatz zu wählen.

''The first part of the training was good, and now we're thinking about taking additional courses.''

Ganzheitlich modellieren?

Bislang wurde das neue Mechatronik-Wissen vor allem bei Kontakten mit Anbietern genutzt. Aber Preissner merkt an, dass sie es in Zukunft auch nutzen wollen, um neue Instrumente von Grund auf zu entwickeln. ‘Das ist auf dem Reißbrett’, sagt er. Wir fragen uns, ob wir diesen neuen Ansatz auf systematischere Weise anwenden können. Können wir das Instrument, das Modell des Kontrollsystems und die Einflüsse auf ganzheitliche Weise modellieren? An welchen Knöpfen müssen wir drehen? Welcher Steuerungsansatz wäre sinnvoll?’

Jetzt wollen Preissner und seine Kollegen aber erst einmal ihr Wissen über Mechatronik erweitern. Sie freuen sich schon darauf, weitere Kurse zu belegen. ‘Wenn man es nicht anwendet, verliert man es. Wir verspüren also einen gewissen Druck, das Gelernte so regelmäßig wie möglich anzuwenden. Der erste Teil der Schulung war gut, und jetzt denken wir darüber nach, weitere Kurse zu besuchen. Wenn man neue technische Techniken lernt, braucht man ein bisschen Zeit. Man muss damit arbeiten. Es hat bereits unsere Interaktionen mit den Lieferanten verändert. Der nächste Schritt wird sein, unsere eigenen Designs von Grund auf zu ändern.’

Dieser Artikel wurde von Tom Cassauwers, freier Mitarbeiter von High-Tech Systems, geschrieben.

Recommendation by former participants

By the end of the training participants are asked to fill out an evaluation form. To the question: 'Would you recommend this training to others?' they responded with a 8.9 out of 10.