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Passive Dämpfung ist schon seit geraumer Zeit ein Standardwerkzeug für Bauingenieure und Architekten. Maschinenbauingenieure, die für eine Genauigkeit im Mikrometerbereich konstruieren, versuchten jedoch in der Regel, den Einsatz von Dämpfung zu vermeiden. Jetzt, da die High-Tech-Welt in den Bereich der Sub-Nanometer-Präzision vorgedrungen ist, entdecken Maschinenbauingenieure mehr und mehr, dass passive Dämpfung eine wirksame Medizin für die heutigen Präzisionskrankheiten ist.

In den letzten Jahren hat sich die passive Dämpfung mehr und mehr zu einem Standardwerkzeug für Präzisionsingenieure entwickelt. Es ist kein Zufall, dass der fünftägige Schulungskurs Design Principles for Precision Engineering diesem Thema einen ganzen Tag widmet. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung der passiven Dämpfung für Systeme mit Subnanometer-Positionsanforderungen hat die Mechatronics Academy, Partner des High Tech Institute, einen speziellen Schulungskurs zu diesem Thema entwickelt. Die Top-Experten Hans Vermeulen und Kees Verbaan unterrichten diesen neuen Kurs Passive Dämpfung für High-Tech-Systeme.

Hans Vermeulen kam in den späten neunziger Jahren bei Philips CFT erstmals mit passiver Dämpfung in Berührung. Seit Mitte 2000 arbeitet er bei ASML, wo diese Technologie inzwischen in verschiedenen Subsystemen implementiert wurde, um eine Präzision im Sub-Nanometerbereich zu erreichen. Außerdem ist er einen Tag pro Woche als Professor an der TU Eindhoven tätig. Ungehindert von der täglichen Hektik in Veldhoven kann Vermeulen sich unter anderem auf die passive Dämpfung konzentrieren. Die Tatsache, dass seine Vorlesungen auf diesem Gebiet schon vor einigen Jahren begonnen haben, zeigt, dass die passive Dämpfung im Mittelpunkt des Interesses steht.

Hans Vermeulen informiert, dass ASML zunehmend passive Dämpfung einsetzt, um Sub-Nanometer-Präzision zu erreichen.

Kollege und Trainer Kees Verbaan promovierte 2015 über robuste Massendämpfer für Bewegungstische. Er arbeitet für die NTS Group, einen erstklassigen Zulieferer für den Hightech-Maschinenbau. In seiner Rolle als Systemarchitekt sieht Verbaan, wie sich die passive Dämpfungstechnologie in vielen High-End-Unternehmen durchsetzt.

Der Systemarchitekt Kees Verbaan, der über robuste Massendämpfer promoviert hat, sieht nun, wie sich sein Fachgebiet etabliert.

In der Welt der großen Dimensionen (Zentimeter statt Nanometer) ist die passive Dämpfung überall anzutreffen. Legen Sie Ihren Finger auf eine vibrierende Stimmgabel oder nageln Sie einen großen Teppich an die Wand und schon haben Sie eine passive Dämpfung. In der Automobilindustrie wird sie häufig bei Autotüren eingesetzt. Eine Schicht aus Anti-Knall-Folie sorgt für ein gutes Klangerlebnis. Wenn Sie die Tür schließen, hören Sie das Blech nicht ärgerlich mitschwingen: Die Dämpfungsschicht sorgt für den sanften Klang, den wir mit Qualität assoziieren. Die Energie verbleibt nicht als kontinuierliche Schwingung im Material, sondern wird über eine Bitumenschicht auf der Innenseite der Tür in Wärme umgewandelt. Ein ziemlich extremes Beispiel für ein passiv dämpfendes Design finden Sie im Taipei 101, dem höchsten Gebäude der gleichnamigen taiwanesischen Hauptstadt. Da Erdbeben und Taifune recht häufig auftreten, ist das 101-stöckige Gebäude mit einem abgestimmten Massendämpfer ausgestattet, einer riesigen kugelförmigen Masse von mehr als achthundert Tonnen, die an der Spitze des Gebäudes an vier Seilen hängt und mit großen viskosen Dämpfern versehen ist. Bei Erschütterungen, die durch Erdbeben oder schwere Stürme verursacht werden, bewegt sich die Kugel phasenverschoben und absorbiert so einen großen Teil der kinetischen Energie des Gebäudes. ‚Ähnliche Techniken halten jetzt auch Einzug in die Hightech-Welt‘, sagt Hans Vermeulen. In den letzten Jahren wurden Dämpfungsschichten – so genannte Zwangsschichten – in Hochpräzisionsbühnen eingesetzt und abgestimmte Massendämpfer verwendet, um störende Vibrationen bei bestimmten Frequenzen zu unterdrücken und die Genauigkeit des gesamten Systems zu erhöhen.

Im Hightech-Maschinenbau wurde die Anwendung passiver Dämpfung lange Zeit vermieden und umgangen. Das liegt vor allem daran, dass die Konstrukteure ihre Ziele mit dem traditionellen Ansatz erreichen konnten (und oft immer noch können), relativ steife Strukturen aus Metall oder Keramik und Metallfedern zu verwenden, um ein vorhersehbares Verhalten zu erreichen.

Kunststoffe, Gummi und Verbundwerkstoffe

Obwohl der Einsatz von Kunststoffen, Gummimaterialien und Verbundwerkstoffen unerwünschte Schwingungen erheblich reduzieren kann, war die Anwendung nie besonders beliebt, weil das hysteretische Verhalten dieser Materialien Präzisionssysteme potenziell unberechenbar macht. Ein weiterer Grund ist, dass analytische Werkzeuge wie die Finite-Elemente-Analyse und die erforderlichen Computer lange Zeit nicht über eine ausreichende Rechenleistung verfügten, um das komplexe Verhalten zu berechnen, das notwendig ist, um den Einfluss der passiven Dämpfung in Strukturen aus exotischen Materialien richtig vorherzusagen. In den letzten Jahren haben sich die Dinge jedoch geändert.

Es mag eine Binsenweisheit sein, aber sie ist immer noch sehr wahr: In der Welt der High-Tech-Systeme steigen die Anforderungen an die Präzision ständig. Halbleiterhersteller wollen lithografische Maschinen, die zuverlässig Muster mit einer Präzision im Sub-Nanometerbereich herstellen können. Biotechnologen benötigen Mikroskope, mit denen sich DNA-Strukturen auf atomarer Ebene abbilden lassen, und Mediziner sind auf Diagnosegeräte angewiesen, die nach Möglichkeit eine molekulare Auflösung bieten. In allen Bereichen steigen die Anforderungen, so dass sich Konstrukteure und Architekten nicht mehr auf ihre Standardwerkzeuge verlassen können.

Es scheint, dass die passive Dämpfung hier einen sehr wichtigen Beitrag leisten kann. Der Ansatz hat sich als wirksam erwiesen, auch bei den High-Tech-Geräten. Das Schöne an der Dämpfung ist, dass eine ganz neue Trickkiste zum Einsatz kommt“, sagt Verbaan. Präzisionsingenieure profitieren wirklich von ein paar zusätzlichen Figuren auf ihrem Schachbrett. Das gefällt mir, denn im traditionellen Werkzeugkasten eines Herstellers gab es nur drei volle Schubladen. Jetzt stellt sich heraus, dass es drei weitere gibt, und die sind voll mit neuen Arten von Werkzeugen, die er vorher nicht benutzt hat.‘ Er unterstreicht, dass die Dämpfung eine Erweiterung des Lösungsraums ist, kein Ersatz. ‚Wenn Sie das traditionelle Design nicht beherrschen, werden Ihnen die Ergänzungen nicht viel bringen.‘

Als die Anforderungen noch weniger anspruchsvoll waren, waren Designer an den vorhersehbaren Lösungsraum aus Massen und Federn gewöhnt“, sagt Vermeulen. Bei der traditionellen Konstruktion haben Sie es mit linearen Beziehungen zu tun, z. B. mit Beziehungen zwischen Kraft und Position oder Spannung und Dehnung. Um die negativen Auswirkungen von Verstärkungen bei Resonanz zu begrenzen, stellen die Designer sicher, dass die Eigenfrequenzen des Systems hoch genug sind. Das bedeutet, dass sie leichte und steife Konstruktionen mit geringer Masse und hochsteifen Materialien und Geometrien verwenden. ‚

Monolithische Blattfeder

Das Hooke’sche Gesetz besagt eine lineare Beziehung zwischen Kraft und Position oder Spannung und Dehnung für linear elastische Materialien. Das bedeutet, dass ein elastisches Material genau in seine ursprüngliche Position zurückkehrt. Das ist schön, denn solange Sie die Kräfte kennen, die auf das System wirken, können Sie die Position genau vorhersagen. Nehmen Sie das Beispiel einer monolithischen Blattfeder, einem massiven Metallblock, der mit Löchern und Schlitzen zu einem Mechanismus verarbeitet wurde, der auf Massen und Federn basiert. Eine solche Struktur weist ein reproduzierbares lineares Verhalten auf, frei von Hysterese. Aus der Sicht der Steuerung kann dieser Ansatz jedoch zu Problemen führen, wenn eine höhere Präzision erforderlich ist.

Typische Konstruktion mit integrierter abgestimmter Massendämpfung. Foto: Janssen Precision Engineering.

Beispiel für eine monolithische Blattfeder. Ein massiver Metallblock wird mit Löchern und Schlitzen zu einem Mechanismus verarbeitet, der auf Massen und Federn basiert. Eine solche Struktur zeigt ein reproduzierbares lineares Verhalten, hat aber den Nachteil, dass sie ‚wie eine Uhr klingt‘.

Bei dieser Art von Konstruktion leidet das Steuerungssystem unter lang anhaltenden Vibrationen. Resonanzen können durch Kräfte innerhalb des Systems selbst, wie z.B. aufgezwungene Bewegungsprofile, aber auch durch äußere Einflüsse, z.B. Bodenvibrationen oder Luftverschiebungen, angeregt werden. Ohne Dämpfung verbleiben diese Schwingungen lange Zeit im System. Die Vibration kann die Schwingungsenergie nicht loswerden.

Maschinenbauingenieure neigen dazu zu sagen: „Es klingt wie eine Uhr“, und in diesem Fall ist das keine positive Feststellung. Hochfrequente Resonanzen lassen sich im Allgemeinen nur schwer durch aktive Kontrolle beseitigen. Deshalb versuchen Systemdesigner immer sicherzustellen, dass diese Arten von Resonanzen außerhalb des interessierenden Bereichs liegen. Das bedeutet, dass die erste Eigenfrequenz in der Regel etwa fünfmal höher als die Bandbreite ausgelegt wird. So wird das Kontrollsystem im unteren Frequenzbereich nicht beeinträchtigt. Durch Störungen verursachte Vibrationen treten zwar auf, aber sie wirken sich nicht leistungseinschränkend aus.

Wenn jedoch die Anforderungen an die Genauigkeit steigen, sind Designer, die den traditionellen Ansatz verwenden, gezwungen, höhere Eigenfrequenzen innerhalb des Entwurfs zu erreichen. Die Anforderungen steigen“, sagt Programmmanager Adrian Rankers von der Mechatronics Academy. Das wird ein Ende haben, denn es ist nicht mehr herstellbar.

Aversion

Der traditionelle Ansatz war für High-Tech-Systementwickler viele Jahre lang ausreichend. Aber auf der Suche nach immer größerer Präzision befassen sich jetzt alle Anbieter von High-End-Systemen mit den Möglichkeiten der Implementierung passiver Dämpfung. Vermeulen: ‚Ich wage zu behaupten, dass sie in der High-Tech-Systemindustrie zum Standard wird. Nicht jeder ist damit vertraut, aber es breitet sich aus.‘ Verbaan: ‚Die großen Akteure wie ASML, Philips, TNO und ThermoFisher haben die Zeit, ihr Wissen zu erweitern und zu forschen.‘

Vermeulen: `Dämpfung bedeutet, dass Sie vom linearen elastischen Verhalten von Materialien, wie es durch das Hooke’sche Gesetz definiert ist, abweichen. Das liegt daran, dass das Material einen Teil der Energie in Wärme umwandelt. Wenn Sie die Kraft gegen die Dehnung in einem Diagramm auftragen, wird die Dissipation durch die Hystereseschleife ausgedrückt. Die Fläche dieser Schleife ist proportional zur dissipierten Energie: die Dämpfung, die Sie der Struktur geben können.’Darüber hinaus sind die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften von Gummi temperatur- und frequenzabhängig (für Spezialisten: lineare viskoelastische Modelle können für Gummi verwendet werden). Daher wurden diese Arten von Dämpfungsmaterialien lange Zeit vermieden: ein System kann unter denselben Belastungsbedingungen unterschiedliche Zustände annehmen. Vermeulen: ‚Das bedeutet Unsicherheit in der Position. Präzisionsingenieure haben eine Abneigung dagegen. Mit Dämpfung weichen Sie von der linearen Beziehung ab. Sie durchlaufen eine Hystereseschleife, wenn die Kraft zunimmt und wieder abnimmt, und Sie wissen nicht genau wie, da nicht alle Kräfte, die auf das System einwirken, genau bekannt sind. Oft gibt es Störungen von außen und dann können Sie in einer Position landen, die vorher nicht vorhergesagt wurde. Wir haben eigentlich lange Zeit versucht, diese Unsicherheit zu vermeiden. Daher hat jeder im Bereich der High-Tech-Systeme die Dämpfung vermieden und die Dinge traditionell mit Massen und Federn konstruiert. Aber ab einem bestimmten Zeitpunkt sind die Möglichkeiten zu Ende.

Gift

Das Gift befindet sich jedoch in der oben erwähnten Hystereseschleife. Es ist komplizierter, das Verhalten richtig vorherzusagen, denn das System kann sich wie erwähnt in verschiedenen Zuständen befinden. Das bedeutet, dass die Bedienung und Steuerung in Umgebungen, in denen Bodenvibrationen und kleine Schwankungen des Luftdrucks oder der Temperatur große Störungen verursachen, komplex ist. Ein sanftes Ausatmen über einem Wafertisch sorgt bereits für eine stehende Welle mit einer Amplitude von mehreren zehn Nanometern, während die Tische auf Sub-Nanometer-Ebene gesteuert werden müssen.In den letzten Jahrzehnten hat sich das Streben nach dem heiligen Gral eines vollständig vorhersagbaren Verhaltens von Führungsbahnen darin ausgedrückt, Reibung so weit wie möglich zu vermeiden – und auch für Energiedissipation, also Dämpfung, zu sorgen. In vielen Anwendungen ist die Coulomb-Reibung nicht erwünscht“, sagt Vermeulen. Außerdem funktionieren rRolling Elements nicht in jeder Situation. Deshalb sind Luftlager so beliebt. Sie haben kaum Reibung. 1961 setzte IBM bereits Luftlager in seinen Festplattenlaufwerken ein. Lithografische Geräte, die in den sechziger und siebziger Jahren im Physiklabor von Philips entwickelt wurden, waren mit nahezu reibungsfreien Öllagern ausgestattet und verwenden heute in mehreren Systemen die Luftlagertechnologie. Vermeulen: ‚Mit der klassischen Trickkiste, um reibungsfreie Führungen zu konstruieren, Spiel zu vermeiden und Federn mit hoher Steifigkeit und begrenzter Masse einzusetzen, konnten wir das Verhalten lange Zeit vorhersehbar machen. Aber für Anwendungen im Nanometerbereich und darüber hinaus ist das nicht mehr ausreichend.‘

Wackeliger Pizzateller

Bis vor kurzem war der klassische Ansatz für die Entwicklung von Bewegungstischen für Wafer-Stepper und -Scanner gut geeignet. Durch die Verwendung von Strukturmetallen und Keramiken kann ein solcher Tisch leicht und steif gemacht werden. Die Eigenfrequenzen sind so hoch, dass sie für die Steuerung mit hoher Bandbreite keine Einschränkung darstellen. Die Anforderungen an die Subnanometerpräzision machen jedoch die Einführung strengerer Schritte erforderlich.

Verbaan untersuchte während seiner Promotion den Einfluss der passiven Dämpfung auf ein Positionierungssystem für 450-Millimeter-Wafer. Eine solche Bühne hat Außenabmessungen von 600 mm im Quadrat. Auf der Nanometerebene ist es so, als ob man eine wackelige Pizzascheibe mit den Händen ruhig halten müsste“, sagt Verbaan. Er verglich verschiedene Materialien und untersuchte und optimierte mit Finite-Elemente-Analysen den Einfluss von Massenverteilungen auf die Leistung.

Ein so großes System ist anfällig für mehrere Resonanzfrequenzen. Um die Bühne genau steuern zu können, müssen diese Resonanzen unterdrückt werden. Für eine Frequenz ist klar, wie das geht, und man kann das auch in einem einfachen Modell darstellen. Aber wenn Sie mehrere Resonanzspitzen über ein breites Frequenzband haben, ist das praktisch unmöglich. Dann erhalten Sie ein Modell, das zu komplex ist, um es zu handhaben.

Das ist genau das, was Ingenieuren in der Praxis begegnet. Die erste „Hürde“, die die Leistung eines Systems einschränkt, ist die erste Eigenfrequenz. Das ist die Frequenz, bei der ein Objekt heftig zu vibrieren beginnt, wenn die Frequenz erhöht wird. Der traditionelle Ansatz besteht darin, zu versuchen, diese Frequenz zu erhöhen. Wenn die Mittel dafür ausgeschöpft sind, kann die Dämpfung helfen, die Resonanzamplituden zu unterdrücken. Die erste Eigenfrequenz eines quadratischen Wafers ist zum Beispiel der Torsionsmodus, bei dem sich zwei Paare von gegenüberliegenden Ecken in Phase bewegen. Aber bei höheren Frequenzen fängt alles an zu rasseln. Das liegt an den zahlreichen Teilen und Komponenten, die am Tisch befestigt sind, wie z.B. Stecker und Sensoren. Mehrere kleine Massen, die bei Kilohertz schwingen. Sie werden letztendlich das dynamische Verhalten bestimmen. Weil es so viele sind, können Sie das Problem nicht durch aktive Filterung im Kontrollsystem lösen. Mit passiver Dämpfung können Sie all das jedoch lösen“, sagt Vermeulen.

Hans Vermeulen zeigt, wie die Dämpfung eine Resonanzspitze in einem Diagramm reduzieren kann.

Verbaan: Was hilft, ist, dass sich dämpfende Materialien wie Gummi und Flüssigkeiten und die Dämpfer, die Sie mit diesen Materialien entwerfen, bei diesen hohen Frequenzen typischerweise sehr gut verhalten, vor allem wegen der frequenzabhängigen Materialeigenschaften. Bei niedrigen Frequenzen verhalten sie sich wie eine Feder mit geringer Steifigkeit und geben daher ein wenig nach, aber bei höheren Frequenzen werden sie viskos.‘ Die Schulung von Vermeulen und Verbaan macht deutlich, dass man das Feld der Dämpfung zwar extrem schwierig gestalten kann, dass es aber auch sehr gute Faustregeln und einige sehr nützliche Konstruktionsprinzipien gibt. Verbaan: ‚Unser Ziel ist es, die gesamte Palette der Möglichkeiten zu skizzieren und sicherzustellen, dass die Kursteilnehmer mit dem richtigen Ansatz zu einer Lösung kommen. Man kann moderne Computer tagelang oder sogar wochenlang rechnen lassen, aber dann muss man ein echter Spezialist sein. Wir wollen den Kursteilnehmern verschiedene Möglichkeiten zur Anwendung der Dämpfung vermitteln. Sie lernen die Hintergründe der Modellierung, aber auch die einfache Herangehensweise an das Problem, damit sie die Dämpfung richtig anwenden können. ‚

Potenzielle Studenten sind zum einen Menschen mit einem Hintergrund in Konstruktionsprinzipien“, sagt Rankers. Sie wollen die Dämpfung in der Praxis anwenden. Andererseits werden sich auch Systemarchitekten dafür interessieren, damit sie sich der Möglichkeiten bewusst sind, die Dämpfung bieten kann.

Kees Verbaan zeichnet einen Bewegungstrainingstisch, der in einer vertikalen Position konstant gehalten werden muss. Auf einen solchen Tisch wirken alle möglichen Kräfte, von horizontalen Motoren zur Beschleunigung bis hin zu vertikalen Aktuatoren, die den Wafer auf dem Tisch in der richtigen Höhe halten. Bei der ersten Schwingungsform bewegen sich die gegenüberliegenden Ecken gleichzeitig nach oben oder unten, während sich die anderen Ecken in die andere Richtung bewegen. Das Ergebnis kann in der Größenordnung von zehn Nanometern liegen, während der Tisch eine Positionskontrolle im Subnanometerbereich benötigt.

Vermeulen und Verbaan betonen, dass passive Dämpfung kein ‚Wunderöl‘ ist. Ein ganzheitlicher Designansatz ist unerlässlich. Ich habe Ingenieure sagen hören: Lassen Sie den Fehler erst einmal drin, wir werden ihn später mit Kontrollen lösen“, sagt Verbaan. Er sagt, dass die Leute manchmal mit Systemen zu ihm kommen, die nicht die gewünschte Leistung erbringen, und ihn fragen, ob sie das Problem mit passiver Dämpfung beheben können. Verbaan: ‚Manchmal wird das zu einfach gehandhabt. Sie dürfen nicht einfach die Grundlagen einer soliden mechanischen Konstruktion vergessen. Alles beginnt mit einer leichten und steifen Konstruktion, die unbestreitbar notwendig ist, auch für das richtige Funktionieren der Dämpfung. Im Kurs ‚Passive Dämpfung für High-Tech-Systeme‘ werden Verbaan und Vermeulen mehrere Dämpfungsmechanismen im Detail erläutern, wie z.B. Materialdämpfung, Dämpfung mit abgestimmter Masse und robuster Masse, Dämpfung mit Zwangslagen und Wirbelstromdämpfung. Ausgehend von Dämpfungsimplementierungen in anderen Anwendungsbereichen, wie z.B. im Bauwesen und in der Automobilindustrie, liegt der Schwerpunkt auf Design, Modellierung und Implementierung passiver Dämpfung in High-Tech-Systemen. Stan van der Meulen, Co-Trainer des Kurses, wird sich auf die Anwendung der viskoelastischen Dämpfung in einem Halbleiter-Wafertisch konzentrieren.

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von High-Tech Systeme.

Experten von TNO und Ausbilder von T2prof geben den erneuerten Ausbildungskursen ‚Angewandte Optik‘, die im Februar in Delft und in Eindhoven beginnen, den letzten Schliff. Der Schwerpunkt verlagert sich. Der Anteil der harten Mathematik nimmt ab und macht Platz für Demos und praktische Experimente.

Der Kurs‚Angewandte Optik‚ von T2prof stammt aus dem Philips Center for Technical Training. Das High Tech Institute führt den Kurs in einer exklusiven Partnerschaft mit T2prof durch. Die erste Ausgabe stammt aus dem Jahr 2003. Kurz zuvor hatte ASML dem Philips CTT mitgeteilt, dass es einen Kurs benötige, um Elektronikingenieuren, Maschinenbauingenieuren und Chemieingenieuren ein besseres Verständnis für die Welt der optischen Forschung und Entwicklung zu vermitteln, in der sie arbeiten müssen.

Die Idee hinter der Anfrage von ASML war es, babylonische Sprachverwirrung bei Forschungsprojekten zu vermeiden. Wenn nicht-optische Ingenieure mehr über Linsen, Reflexion, Brechung, Kollimatoren, Laser und Ähnliches wüssten, könnten sie effektiver mit den Optikspezialisten im Unternehmen zusammenarbeiten. Dies ist Teil eines wachsenden Trends in der High-Tech-Welt. Unternehmen beziehen ihre Innovationskraft immer weniger von Einzelpersonen und immer mehr von multidisziplinären Teams. Wenn Menschen in der Lage sind, effizienter zusammenzuarbeiten, kommt dies wiederum der Entwicklung und der Innovationskraft zugute.

Experten von TNO und Trainer von T2prof haben die letzten Monate damit verbracht, das Training zu aktualisieren, um den Inhalt besser an die neuesten technologischen Entwicklungen anzupassen. Der größte Teil der schwierigen Matheaufgaben ist verschwunden. Dadurch wurde Platz für praktischere Themen wie optische Systeme, Aberrationskorrektur und die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie geschaffen. Der Lehrgang findet sowohl in Eindhoven als auch in Delft (TNO) statt.

Ein neuer Zeitplan gilt auch für die TNO-Schulung in Delft. In Eindhoven erstreckt sich der Kurs über sechzehn Nachmittagssitzungen über einen Zeitraum von acht Monaten. In Delft sind es acht Sitzungen am Nachmittag und am Abend, die sich über sechzehn Wochen erstrecken. Die Ausbildung ist bekanntermaßen anspruchsvoll, aber in den letzten Jahren wurde sie von den Teilnehmern im Durchschnitt mit mehr als 8 auf einer Skala von 10 bewertet.

Der Kurs ‚Angewandte Optik‘ in Delft wird auf Anfrage organisiert (acht Sitzungen am Nachmittag und Abend). Auch für den Kurs ‚Angewandte Optik‘, der zweimal im Jahr in Eindhoven beginnt (fünfzehn Nachmittage), kann man sich noch einschreiben.

Historisches Reisegepäck

Normalerweise gibt es zwei Arten von Kursteilnehmern, sagt Jean Schleipen, der seit vier Jahren einer der drei Ausbilder für den Kurs ‚Angewandte Optik‘ ist. Die eine Hälfte eignet sich den Inhalt ohne weiteres an und macht sich gleich an die Mathematik und die Hausaufgaben. Sie wollen den Beruf beherrschen. Andere brauchen eher ein Gesamtbild. Denken Sie an Marketingfachleute, die es für ausreichend halten, in allen optischen Bereichen grob auf dem Laufenden zu sein. Mein Ziel ist es, neben der Vermittlung von Wissen alle Teilnehmer für unser schönes und wichtiges Gebiet der Wissenschaft zu faszinieren und zu begeistern.‘

Um die Inhalte zu vermitteln und sie in einen größeren Zusammenhang zu stellen, hält Schleipen es für unerlässlich, den Studenten sowohl historisches Gepäck als auch tiefere Hintergrundinformationen zu vermitteln. ‚Wir können nicht alle Formeln und mathematischen Hintergründe an nicht-optische Ingenieure weitergeben. Aber es ist nützlich, wenn sie wissen, woher diese Berechnungen stammen. Wenn sie wissen, dass Ampère, Coulomb und Faraday im achtzehnten und neunzehnten Jahrhundert Entdeckungen auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus machten und dass danach ein genialer Physiker, James Maxwell, auftauchte, ein Physiker, der die elektromagnetischen Kräfte mathematisch beschreiben konnte. Und als dieser Physiker mit seinen Formeln jonglierte, fielen alle Teile des Puzzles an ihren Platz und eine neue physikalische Konstante fiel heraus, die der damals gemessenen Lichtgeschwindigkeit sehr ähnlich war. Er spürte, dass es einen Zusammenhang geben musste. Maxwells Gleichungen bilden noch immer die Grundlage der modernen Optik.‘

Jahrhunderts, fährt Schleipen fort, entdeckte Hertz den photoelektrischen Effekt, gefolgt vom Aufkommen der Quantenmechanik zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts. Neue Erkenntnisse zeigten, dass Teilchen, wie z.B. Elektronen, als Masse und als Welle beschrieben werden können. Umgekehrt konnte sich das Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen verhalten. Die Studenten sagen mir, dass sie diese Art von Wissen zu schätzen wissen.‘

Schleipen möchte auch Hintergrundinformationen geben, wenn er optisch-physikalische Phänomene erklärt. Wenn Sie eine Linse verwenden, um einen Laserstrahl zu fokussieren, dann hat der Fleck eine endliche Breite. Aber warum? Sie können dann erklären, dass dies auf die Beugung und/oder Brechung des Lichts zurückzuführen ist. Aber ich möchte auch, dass die Studenten die Ursache dieses Phänomens verstehen. Dass es zum Wellencharakter des Lichts gehört. Ich bin fest davon überzeugt, dass dies zum Verständnis beiträgt.‘

In dem neuen Kurs, der in Zusammenarbeit mit TNO entwickelt wurde, hat Schleipen mehr Platz für Demos geschaffen. Seine Erfahrung ist, dass kleine Demonstrationen sehr aufschlussreich sein können. ‚In einer einfachen praktischen Demonstration lasse ich die Studenten den Abstand zwischen den Spuren einer CD, DVD oder Blu-ray Disc bestimmen. Wir lassen einen Laser auf eine DVD strahlen und die Studenten messen die Winkel der gebeugten Strahlen, einfach mit einem Maßband. Und wirklich, mit einer Genauigkeit von weniger als einem Zehntel Mikrometer!‘ Er lacht.“So ein Test dauert zehn Minuten, dann ist jeder aufgewacht und kann zum nächsten Modul übergehen.‘

Während des Kurses werden auch interessante Naturphänomene besprochen. Warum sehen wir einen Regenbogen, warum sind es manchmal zwei und warum sind die Farben dieser beiden Bögen invertiert?

Eine stabile Disziplin

In unserem Land kann sich die optische Technologie auf neue Aufmerksamkeit freuen. So hat der Spitzensektor High Tech Systems & Materials im vergangenen Juli die Photonics National Agenda veröffentlicht und 2018 wurden erhebliche Subventionen für photonische Chips bewilligt. Auf die Frage, ob wir es mit einer Renaissance seines Bereichs zu tun haben, reagiert Schleipen jedoch recht neutral. ‚Wir spielen sicherlich mit, aber im Bereich der Optik sind wir ein kleines Land, zum Beispiel im Vergleich zu Deutschland. Natürlich haben wir ASML und Signify und ein paar Dutzend kleine und mittlere Unternehmen, die im Bereich der Photonik sehr gut abschneiden, aber sicher nicht Hunderte, wie es bei unseren östlichen Nachbarn der Fall ist.‘

Mit dieser Aussage will Schleipen die Optik nicht verharmlosen. Sie ist in erster Linie ein sehr stabiles Feld, weil sie die Grundlage für eine extrem breite Palette von Themen mit vielen Anwendungsbereichen bildet. Sie finden die optische Technologie in der Messtechnik, der Sensorik, der Inspektion, der Sicherheit, der Datenkommunikation, der Bildgebung, in der Automobilindustrie und in den biomedizinischen und Biowissenschaften.‘

Der neue Kurs trägt auch den jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet der optischen Phänomene und der Instrumentierung Rechnung. Um ein Beispiel zu nennen: Das Imec in Leuven hat vor einigen Jahren einen neuen cmos-Bildsensor entwickelt, in den eine Vielzahl von winzigen Spektralfiltern integriert wurde. Diese kompakten und potenziell kostengünstigen hyperspektralen Sensoren haben nun ihren Weg in eine ganze Reihe neuer Anwendungen im Gesundheitswesen gefunden.‘

Das Gebiet der Optik ist so umfangreich, dass nicht alle Teilbereiche in sechzehn dreistündigen Modulen behandelt werden können. Wir könnten leicht vier weitere Module hinzufügen, aber irgendwo müssen wir aufhören. Wir befassen uns nicht mit Biowissenschaften und biomedizinischer Technik, aber die Grundlagen werden ausreichend behandelt. Und vor allem: Die Studenten erleben den Stoff jetzt selbst, indem sie während der wöchentlichen praktischen Sitzungen physisch an den Knöpfen drehen können. Nach dem Kurs sind die Teilnehmer ausreichend ausgerüstet, in allen Teams, in denen die Diskussionen über Optik in die Tiefe gehen. Und zu Hause können sie bis ins kleinste Detail erklären, woher die Farben eines Regenbogens kommen.‘

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von Bits&Chips.

Huub Janssen von Janssen Precision Engineering ist eines der ehemaligen Aushängeschilder der Ausbildung Design Principles for Precision Engineering. Sein Ziel war es, das Know-how von Wim van der Hoek zu verbreiten.

Ein lang gehegter Wunsch von Huub Janssen von Janssen Precision Engineering ist in Erfüllung gegangen: Er hat sein Wissen auf die gleiche Weise geteilt wie sein Mentor Wim van der Hoek.

Janssen hält Van der Hoek für ‚ehrfurchtgebietend‘. Anfang der 1980er Jahre war er auf der Suche nach einer Nische, in der er seine letzten Studienjahre an der Technischen Universität Eindhoven verbringen konnte, und stieß auf einen Fachmann, der hauptsächlich in der Feinmechanik tätig war. „Wim lud mich zu seinen monatlichen Vormittagen ein. Dort legte er ein großes Blatt Papier auf den Tisch und kritzelte alle möglichen Probleme auf. Wir diskutierten sie mit einer Handvoll Studenten, die alle ihre eigene Abschlussarbeit hatten, und sprachen zwei bis drei Stunden lang über Fortschritte und technische Probleme.

Huub Janssen ist das neue Aushängeschild des Kurses Design Principles for Precision Engineering.

Das Hauptaugenmerk lag auf dem Inhalt, dem technischen Ansatz, dem Konzept und dessen Umsetzung in die Praxis. Jeder bot kostenlose Lösungen an. Ein Absolvent schrieb sein Problem auf und dann sprangen fünf oder sechs Männer auf, um es auf verschiedene Weise zu lösen. Es war wie ein Spiel. Diese Anregung von Wim hat mich wirklich angesprochen. Ich habe mich darauf eingelassen wie ein Fisch auf dem Trockenen. Es versteht sich von selbst, dass ich mich wie zu Hause fühlte.‘

In den 80er Jahren arbeitete Janssen bei ASML, baute Produktionsanlagen für LCDs bei Philips in Heerlen und gründete dann ein Ingenieurbüro für Präzisionsinstrumente. Bildung hat ihn schon immer angezogen, aber in den letzten Jahrzehnten hat das Unternehmertum Vorrang. Genau wie Van der Hoek hat es mir immer Spaß gemacht, mit jungen Menschen über technische Probleme zu diskutieren. Das tue ich auch, wenn ich meine Mitarbeiter coache‘, sagt Janssen.

Jetzt, da die Mitarbeiter einen Teil seiner Aufgaben übernommen haben, hat er sich automatisch mit dem Wissenstransfer beschäftigt. Als er von Jan van Eijk und Adrian Rankers von der Mechatronik-Akademieeinem Partner des High Tech Institute, angesprochen wurden, musste Janssen nicht lange überlegen.

Limburger Flan

Wir sprechen in dem Raum, den Huub Janssen nach seiner großen Inspiration, Wim van der Hoek, benannt hat. Bei Limburgs Flan und Kaffee spricht der Unternehmer der Feinmechanik ein Thema an, das Ingenieure oft im Gespräch ansprechen: die Leidenschaft, die er schon in seiner Jugend für Technik hatte.

Im neuen Konferenzraum von Janssen Precision Engineering, der vollständig von Glas umgeben ist. Huub Janssen hat den Raum nach seinem Mentor benannt.

Während seiner High School-Zeit fotografierte Janssen Vögel. Seine Herausforderung bestand darin, sie im Flug zu fotografieren. Er wollte nicht den ganzen Tag hinter der Kamera sitzen, also fand er eine Lösung. In einem Nistkasten stellte er eine Praktica auf – die Spiegelreflexkamera, die noch einigermaßen in sein Budget passte – und baute einen Verschlussmechanismus mit einem Lichtstrahl und einem Fotodetektor zusammen. Alles wurde so arrangiert, dass sich der Praktica-Verschluss genau in dem Moment schloss, in dem der Vogel durch den Lichtstrahl flog. Ein elektrisches Solenoid löste den Selbstauslöser aus. Nicht mit einem normalen Motor, denn der musste bam! auslösen.‘

Seinen Unternehmergeist bekam er von zu Hause mit. Seine Eltern hatten ein Obstunternehmen und sein Vater baute oft selbst Maschinen, wie zum Beispiel eine Maschine zum Sortieren von Äpfeln. Während seiner letzten Jahre an der Universität entwickelte Huub eine Messwaage, die es einfacher machte, Obstschalen mit einem bestimmten Gewicht zu füllen. Es handelte sich dabei nicht um eine gewöhnliche Waage, denn bei dieser müsste man hin und her rechnen, und das wollte Janssen vermeiden. Diese Art von Waage konnte man für dreitausend Gulden kaufen, aber das war damals eine Menge Geld. Ich wollte etwas, mit dem man auf einen Schlag sehen konnte, ob man ein paar Äpfel hinzufügen oder wegnehmen musste. Ich habe immer über solche Dinge nachgedacht.‘

Er löste das Problem mit Blattfedern, Elektronik und einem optischen Sensor. Darin steckten alle möglichen Van der Hoek-Designprinzipien“, lacht er und bezieht sich dabei auf den Professor, an dessen Montagmorgensitzungen er damals teilnahm.

Während seiner letzten Jahre an der Universität entwickelte Janssen ein Instrument, das die Abnutzung von Füllungen und Backenzähnen aufzeichnen konnte. Interferometrie und Optik waren Teil der Lösung. Ich musste in sechs Freiheitsgraden innerhalb von Bruchteilen eines Mikrometers positionieren, und ich konnte mich mit neuen Ideen völlig austoben. Außerdem hatte ich auch einen echten Kunden, also musste es schließlich funktionieren.

Huub Janssen mit dem von ihm patentierten Piëzo-Knopf, einem revolutionären Konzept, das auf Piëzo-Elementen und einer rotierenden Masse basiert, mit der sich Schritte von 5 Nanometern realisieren lassen.

Nach seinem Abschluss in den achtziger Jahren arbeitete Janssen bei ASML am ersten PAS2500 Wafer Stepper. Ich hatte viel von Van der Hoek gelernt, aber bei ASML konnte ich sehen, wo Dinge schief gehen können. Bei Van der Hoek lernen Sie, etwas statisch bestimmtes zu entwerfen. Sie erhalten zum Beispiel Stabilität mit drei Stützpunkten. Aber nicht jeder ist mit einem dreibeinigen Tisch glücklich. Bei ASML habe ich gelernt, zu verstehen, wann man bestimmte Konstruktionsprinzipien anwenden sollte und wann nicht.‘

Für den PAS2500 hatten sie zunächst ein neues Interferometer entwickelt, um die Position des Tisches in den Richtungen x und y zu messen. ‚Wir haben das ganz nach den Konstruktionsprinzipien von Van der Hoek gemacht, mit elastischen Elementen und so weiter. Es gab keine Hysterese, aber alles vibrierte weiter. Dabei habe ich gelernt, dass man die Designprinzipien von Van der Hoek nicht immer und in jeder Situation anwenden kann. Man muss wissen, wann man es kann und wann nicht“, erklärt Janssen.

Nach ASML ging er zu Philips in Heerlen, wo er Produktionsanlagen für LCDs entwickelte. Ein paar Jahre später gründete er sein eigenes Ingenieurbüro. Während meiner letzten Universitätsjahre habe ich auch für einen echten Kunden mit einem echten technischen Problem gearbeitet, einschließlich der Nachfrage nach Hardware. Das war genau mein Ding.‘

2010 erhielt Huub Janssen den Rien Koster-Preis in Anerkennung des hohen Niveaus, auf dem er die Präzisionstechnik in seinem Unternehmen Janssen Precision Engineering (JPE) betreibt. Neben den zahlreichen fortschrittlichen Arbeiten für Kunden hob die Jury auch die Aufmerksamkeit hervor, die Janssens dem Coaching und der Ausbildung seiner Mitarbeiter widmet. JPE hat inzwischen dreißig Patente für seine Erfindungen angemeldet.

Vor mehr als zehn Jahren begann Janssen bei JPE, technische Prinzipien und Lösungen zu sammeln und zu dokumentieren. Zunächst für seine Mitarbeiter, aber auch für die Außenwelt. Wann immer Janssen oder seine Kollegen sich in etwas vertiefen oder eine technische Lösung finden müssen, halten sie es fest. Wir müssen immer etwas herausfinden oder noch einmal nachschlagen. Wie ist diese technische Berechnung nochmal gelaufen? Ich dachte mir: Machen wir es einmal richtig, und wenn die Mitarbeiter es das nächste Mal brauchen, werden sie auch davon profitieren. Ich begann, die Fälle auf einem A4-Blatt zu dokumentieren. Alles ist in Kategorien wie ‚Technische Grundlagen‚, ‚Konstruktionsgrundlagen‚,‚Dynamik und Steuerung‘ und‚ Konstruktionsentwurf & Beispiele‚ unterteilt.

Sie müssen Zeit investieren, ‚aber dann haben Sie auch etwas‘, sagt Janssen. Das technische Problem, alle Formeln, die wichtig sind, müssen alle auf dieses A4-Blatt passen. Das heißt, nur die wesentlichen Informationen. Inzwischen sind es etwa fünfzig A4-Blätter. Janssen fand, dass die Informationen auch einen Marketingwert hatten und begann, sie zu veröffentlichen. So entstand der Precision Point, eine Seite auf der Website von Janssen Precision, auf der alles zugänglich ist. Sogar ein Professor am MIT fragte mich per E-Mail, ob er das Wissen in seinen Vorlesungen verwenden könne. Janssen hat die A4-Koffer auch in einem handlichen Büchlein gebündelt, das unter dem Motto von Albert Einstein steht: ‚Vergiss nie etwas, was du nachschlagen kannst.‘ Er erhält regelmäßig Bestellungen von Schulen, Konkurrenten und Kunden.

Nach Albert Einsteins Motto ‚Erinnere dich nie an etwas, das du nachschlagen kannst‘, hat Huub Janssen Präzisionsfälle dokumentiert. Jeder Fall passt auf ein Blatt A4. Das Wissen ist verfügbar unter Präzisionspunkt auf seiner Website und ist auch in gedruckter Form erhältlich.

Es ist schwer zu sagen, ob diese Bemühungen auch zusätzliche Geschäfte generieren. Wir können jedoch feststellen, dass sich Interessenten für unsere Kernaktivitäten im High-Tech-Engineering und für unsere Produkte interessieren, nachdem sie unseren Präzisionspunkt-Link gelesen haben.

Er hat der Bitte von Van Eijk und Rankers zugestimmt, das Aushängeschild des Lehrgangs Konstruktionsprinzipien für die Feinwerktechnik zu werden, weil ihn Bildung schon immer angezogen hat. Ein großer Teil des Wissens und der Erfahrung, die in den Lehrgang für Konstruktionsprinzipien einfließen, entstammt der Ideologie von Wim van der Hoek. Genau wie Van der Hoek hat es mir immer Spaß gemacht, mit jungen Menschen über technische Probleme zu diskutieren. Das tue ich auch, wenn ich meine Mitarbeiter trainiere‘, sagt Janssen.

Für alte Studenten und Kollegen kann Van der Hoek nichts falsch machen. Als sie ihn auf einer Party zu Ehren seines 80. Geburtstags lobten, antwortete der emeritierte Professor: „Ich werde im Himmel auf beschämende Weise gelobt.

Aber nach einigem Nachdenken gelingt es Janssen, einen Kritikpunkt auszugraben. ‚Er redete gerne. Er redete ziemlich schnell, so dass es für angehende Universitätsstudenten, die den Beruf noch lernen mussten, ziemlich schwierig war, allem zu folgen. Man musste wirklich gut aufpassen, denn in diesen wenigen Stunden prasselte eine Menge Information auf einen ein.‘

Van der Hoek redete gerne, gab schnell die Richtung vor, in die es gehen sollte, und er hatte auch etwas zu sagen. Er hatte schnell seine eigenen Ideen für den Weg, den die Lösungen nehmen sollten, und das war oft verblüffend.

Vor dreißig Jahren war die Positionierung im Mikrometerbereich etwas von einem anderen Planeten.

Was war so besonders an Van der Hoeks Ansatz?

Es hat mit dem Feld zu tun. Vor dreißig Jahren war die Positionierung im Mikrometerbereich etwas von einem anderen Planeten. Es ist ein Bereich, in dem man nicht einfach normale Funktionselemente wie Lager und Zahnräder verwenden kann. Selbst jetzt ist es für viele noch unerforschtes Gebiet. Weltweit. Bis zum fünften Studienjahr lernten wir nur das, was andere angehende Ingenieure auch lernten: Zahnräder, Antriebswellen, Keilriemen und so weiter. Aber wenn Sie auf einen Mikrometer oder einen Bruchteil davon positionieren wollen, dann können Sie nicht einfach diese Komponenten verwenden. Dann ergeben sich ganz andere Lösungswege und Dinge wie Reproduzierbarkeit und die Vermeidung von Spiel werden wichtig.‘

Sie wollen die Ausbildung der Designprinzipien im Sinne von Van der Hoek gestalten. Was meinen Sie damit?

Wir sprechen über Designprinzipien für die Feinmechanik. Das ist die Welt der komplexen Maschinen und Instrumente für die Chipindustrie, die Astronomie und die Raumfahrt. Um genauer als einen Mikrometer zu positionieren, können Sie nicht einfach Standardfunktionselemente wie Lager verwenden. Dann kommen Sie zu elastischen Elementen, ohne Reibung und dergleichen. Danach wird es spannend, denn Sie sind der Physik sehr nahe.‘

Janssen: ‚Ich kann mich noch daran erinnern, dass Van der Hoek seine Studenten aufforderte, in Gedanken in ein Kugellager zu kriechen.‘

Hersteller müssen erkennen, dass sie keine Standardteile aus einem Katalog kaufen können. Sie müssen ein bisschen weiter denken, alle Probleme analysieren, die auftreten können. Dann müssen Sie sich die Dinge im Kopf vorstellen, ‚Gedankenexperimente‘ machen: Wo kann etwas schief gehen? Wenn Sie das erkennen können, ist der Weg zur Lösung nicht mehr weit. Ich kann mich noch gut daran erinnern, dass Van der Hoek seine Studenten aufforderte, in Gedanken in ein Kugellager zu kriechen und sich den Außenring und den Innenring mit all den Kugeln dazwischen vorzustellen. Wir mussten uns so klein machen, dass wir zwischen diesen sich drehenden Kugeln saßen. Dann sehen Sie, dass die Kugel auf der einen Seite am Ring anliegt und auf der anderen Seite Platz zum Spielen hat. Als nächstes sehen Sie, dass eine Kugel nicht ganz rund ist, sie hat Einkerbungen und dreht sich nicht gut. Wenn es sich um eine Vertiefung von einem Mikrometer handelt, bedeutet das einen Mikrometer Fehler. Sie müssen nicht viel Erfahrung haben, aber Sie brauchen eine Menge Vorstellungskraft, um Gedankenexperimente durchführen zu können.‘

Was ist das Besondere an Ihrem Beitrag zur Schulung?

Die Art und Weise, wie Lösungen gefunden werden, ist wichtig. Ich habe nicht viel mit Formeln zu tun. Natürlich werden sie gebraucht, aber das Rechnen ist die letzten zehn Prozent der Arbeit. In erster Linie müssen die Designer ein Gefühl für die Details bekommen. Worauf müssen sie achten? Wie lösen sie die Probleme? Sie müssen zunächst wissen, wo etwas schief gehen kann, und dann eine gute konzeptionelle Richtung einschlagen. Ich möchte vor allem die Intuition schulen. Berechnungstechniken kommen erst danach.‘

Deshalb möchte ich Fallstudien einführen. Van der Hoek tat dies in seinem Des Duivels prentenboek , in dem er erfolglose Projekte veröffentlichte. Die Teilnehmer arbeiten also allein und in Gruppen. Dann haben wir eine große Gruppendiskussion. Ich will keine Vorlesung, ich bevorzuge Interaktion.‘

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von High-Tech Systeme.

Herman Roebbers ist ein fortgeschrittener Experte bei Capgemini Engineering und arbeitet seit Mitte der 1980er Jahre an eingebetteten Systemen und Parallelverarbeitung. Er ist außerdem externer Berater der EEMBC-Arbeitsgruppen Ulpmark, Iotmark und Securemark und Ultra-Low-Power-Trainer im Workshop„Ultra-Low Power for the Internet of Things“.

Auf dem Weg zum batterielosen IoT ist es wichtig, Energie so effizient wie möglich zu nutzen. Am Beispiel einer Verschlüsselungsbibliothek zeigt Herman Roebbers, wie allein kleine Änderungen an den Tooling- und Chip-Einstellungen den Verbrauch erheblich beeinflussen können.

Wie kann ich den Energieverbrauch meines IoT-Systems in Richtung Ultra-Low-Power reduzieren? Diese Frage wird immer relevanter, da wir unsere Erwartungen an IoT-Geräte immer weiter erhöhen. Letztendlich ist das Ziel, dass die Systeme so wenig Energie benötigen, dass sie diese aus ihrer Umgebung gewinnen können und keine Batterien mehr benötigen.

Um dies zu erreichen, müssen wir in zwei Richtungen arbeiten: die Ernteerträge erhöhen und den Verbrauch senken. Ersteres wird bereits in Angriff genommen: Neue Materialien und Methoden zur Herstellung und Nachbearbeitung von Solarzellen führen zu immer höheren Erträgen. Auch auf dem Gebiet der HF-Energieernte werden Fortschritte erzielt. Das Delfter Startup Nowi hat zum Beispiel spezielle Chips entwickelt, die dies sehr gut können. Außerdem wird viel an neuen Materialien geforscht, um Temperaturunterschiede effizienter in Energie umzuwandeln. Wir arbeiten auch intensiv an immer effizienteren Konvertern, die die geerntete Energie in die benötigte(n) Spannung(en) umwandeln und für eine effiziente Energiespeicherung sorgen, zum Beispiel in wiederaufladbaren Batterien oder Superkondensatoren.

Eine Fallstudie für Ultra-Low-Power

Ein früherer Bits&Chips-Artikel gab einen Überblick über alle Aspekte, die für das Energiesparen wichtig sind: vom Chipsubstrat, der Transistorauswahl, der Prozessorarchitektur und der Leiterplatte über Treiber, Betriebssystem, Codierwerkzeuge und Codierstile bis hin zur Anwendung. In der Zwischenzeit wurde die Tabelle etwas erweitert.

Ein aktueller Fall veranschaulicht die Auswirkungen verschiedener Mechanismen auf den Energieverbrauch. EEMBC hat gerade einen Benchmark veröffentlicht, um den Energiebedarf für verschiedene typische tls-Operationen (Transport Layer Security) zu ermitteln. Tls ist Teil einer https-Implementierung und als solcher für den Aufbau einer sicheren Verbindung unerlässlich. Der Benchmark wurde auf ein Evaluation Board portiert, das Kryptographie über die Arm Mbedtls Bibliothek unterstützt.

Wir können diesen Prozess nutzen, um zu zeigen, was jeder Optimierungsschritt bringt. Zu diesem Zweck führen wir zunächst jedes Mal eine Basismessung durch. Das Benchmarking Framework verwendet einen Energiemonitor von Stmicroelectronics und einen Arduino Uno. Der Arduino wird als UART-Schnittstelle zum zu testenden Gerät (dut, Abbildung 1) verwendet.

Abbildung 1: Der Aufbau zur Messung des Stromverbrauchs

Wir verwenden auch die Entwicklungsumgebung Atollic Truestudio 9.0.1 für STM32, die eine proprietäre Version des GCC-Compilers verwendet, sowie die Software Stm32cubemx, die (Initialisierungs-)Code für Peripheriegeräte generieren kann und damit die Konfiguration erheblich vereinfacht.

Schritt 1: Sehen Sie sich die Compiler-Einstellungen an

Wenn wir eine Basismessung mit einer nicht optimierten Version (Einstellung -O0) bei 80 MHz (höchste Geschwindigkeit) und 3,0 Volt durchführen, ergibt dies einen Securemark-Score von 505. Wenn wir die Optimierer-Einstellung auf -O1 ändern, macht das einen gewaltigen Unterschied: wir kommen auf 1336! Die Optimierer-Einstellungen für -Og und -O2 bewirken keinen großen Unterschied, aber wenn wir auf -O3 oder -Ofast gehen, wird es noch besser: 1490.

Dies zeigt, was Sie allein mit den Compiler-Einstellungen erreichen können. Die idealen Einstellungen können jedoch von Funktion zu Funktion unterschiedlich sein. In unserem Fall gibt es zum Beispiel keinen Unterschied zwischen -O3 und -Ofast, aber das ist nicht immer der Fall. Es kann sich also lohnen, die Einstellungen pro Funktion oder pro Datei separat zu wählen.

Bei den Compiler-Einstellungen -O2, -O3 und -Ofast können Programmierfehler auftreten, die bei anderen Einstellungen nicht vorkommen. Das Timing kann sich ändern und es ist notwendig, Variablen, die in mehreren Kontexten verwendet werden (z.B. normaler und Interrupt-Kontext) als flüchtig zu qualifizieren, um Probleme zu vermeiden.

Schritt 2: Sehen Sie sich die pll an

Mikrocontroller haben heutzutage sehr umfangreiche Einstellungen für alle Arten von Taktsignalen auf dem Chip. Eine dieser Einstellungen betrifft den Frequenzmultiplikator (pll). Dieser kann verwendet werden, um eine niedrige Frequenz zu multiplizieren und zu dividieren, um alle möglichen anderen Taktfrequenzen zu erzeugen.

In unserem Fall beträgt die Frequenz des internen Oszillators 16 MHz. Um daraus 80 MHz zu machen, können wir sie leider nicht einfach mit fünf multiplizieren. Wir haben die Wahl zwischen zwei Einstellungen: Die erste ist, mit 1 zu dividieren, mit 10 zu multiplizieren und dann mit 2 zu dividieren. Die zweite Option ist, mit 2 zu dividieren, mit 20 zu multiplizieren und dann wieder mit 2 zu dividieren.

Daraus ergeben sich unterschiedliche Punktzahlen: 1462 gegenüber 1490. Das Ergebnis ist in beiden Fällen 80 MHz, aber die zweite Methode ist zwei Prozent sparsamer. Je niedriger die Taktfrequenzen, desto weniger Energie verlieren Sie, und je früher Sie die Taktfrequenz teilen, desto besser.

Wenn Sie genügend Zeit zur Verfügung haben, können Sie den Prozessor auch ohne pll verwenden, denn das ist eigentlich ein ziemlicher Energiefresser. Mit dem eingebauten Oszillator können wir eine maximale Frequenz von 48 MHz erzeugen, was zu einem 4 Prozent höheren Ergebnis führt. Der Nachteil ist, dass es ein bisschen länger dauert: 80/48 = 1,66 mal länger, um genau zu sein.

Das Nucleo L4A6ZG Entwicklungsboard von STMicroelectronics bietet eine Vielzahl von Tools zur Optimierung des Energieverbrauchs.

Schritt 3: Schalten Sie unnötige Uhren aus

Jetzt, wo wir ein paar Dinge erforscht haben, können wir eine Einstellung wählen und von dort aus weiter optimieren. Wir beginnen recht konservativ: -O1 und eine Frequenz von 80 MHz über unsere zweite pll-Einstellung. Das bringt unseren Securemark-Score auf 1336.

Der nächste Schritt besteht darin, alle überflüssigen Takte abzuschalten. In unserem Fall können der Takt für den UART und alle E/A-Ports abgeschaltet werden. Das spart zwischen 2,5 und 2,9 mW und ergibt einen Wert von 1448. Das bedeutet 1448/1336 = 1,08 Mal weniger Energie (8 Prozent Gewinn).

Schritt 4: Optimieren Sie die Funktion memcpy

Bei der Ausführung von kryptographischen Funktionen wird die Funktion memcpy regelmäßig verwendet. Wenn Sie sich für eine optimierte Version entscheiden, können Sie im Falle von GCC einen Gewinn von fünf Prozent erzielen. Der IAR-Compiler bietet bereits eine optimierte Version. Damit können wir unsere Punktzahl auf 1524 erhöhen. Gewinn: 5 Prozent.

Schritt 5: Ziehen Sie die Rändelschrauben fest

Jetzt können wir sehen, ob wir das auch mit einer niedrigen Taktfrequenz erreichen können. Damit könnten wir die Kernspannung senken. Bei unserer mcu sollte diese Kernspannung 1,2 V für Frequenzen über 26 MHz betragen. Der Einfachheit halber nehmen wir 24 MHz, eine Standardfrequenz im Menü des msi-Oszillators, bei der die pll ausgeschaltet bleiben kann – ein weiterer Gewinn von 4 Prozent: 1588.

Wir können auch testen, ob wir die Compiler-Optimierungen ruhig etwas aggressiver einstellen können. Wenn wir auf die Einstellung -O2 gehen, erreichen wir eine Punktzahl von 1691 – ein weiterer Zuwachs von 6,4 Prozent.

Schritt 6: Reduzieren Sie die Spannungen

Wir haben die Taktfrequenz bereits so vorbereitet, dass eine niedrigere Kernspannung möglich ist. Jetzt werden wir sie tatsächlich einstellen. Das Ergebnis ist wunderbar: 2021, fast 20 Prozent Gewinn!

Die Stromversorgungsspannung kann auch etwas niedriger sein. Wir haben mit 3,0 V begonnen, aber wenn wir auf 2,4 V gehen, ergibt das wiederum eine Verbesserung von 26 Prozent. Wir können sogar noch weiter auf 1,8 V gehen, falls nötig. Das haben wir hier nicht getan, aber wenn wir extrapolieren, können wir mit einer weiteren Einsparung von einem Drittel rechnen.

Fazit

Mit ein paar einfachen Maßnahmen kann der Energieverbrauch bereits drastisch in Richtung Ultra-Low-Power gesenkt werden. In unserer Fallstudie ist ein Faktor von fünf bis sieben im Vergleich zu einer nicht optimierten Version leicht zu erreichen.

Allerdings habe ich mich hier auf die Werkzeug- und Spaneinstellungen beschränkt. Mit zusätzlichen Maßnahmen in anderen Bereichen lassen sich zusätzliche Verbesserungen im zweistelligen Prozentbereich erzielen. Ein eingebettetes System ohne Batterien ist also in Reichweite.

Dieser Artikel wird veröffentlicht von Bits&Chips.

Design Principles ist eine der bekanntesten Schulungen der Mechatronics Academy und des High Tech Institute. Unsere ‚Mechatroniker‘ Jan van Eijk und Adrian Rankers haben den Kurs erneuert und Huub Janssen gebeten, die Rolle des Kursleiters zu übernehmen. Der Kurs bleibt fest auf dem Fundament verankert, das der renommierte Professor Wim van der Hoek gelegt hat. Die größten Änderungen sind die Hinzunahme neuer Top-Spezialisten und neue Schwerpunkte. Der Lehrgang heißt jetzt Design Principles for Precision Engineering.

Es ist ziemlich riskant, einen der renommiertesten Schulungskurse in der niederländischen High-Tech-Welt neu zu gestalten. Doch wir hatten keine andere Möglichkeit. Piet van Rens, der lange Zeit das Gesicht des Kurses war, wollte seine Arbeit als Ausbilder im Hochbau deutlich einschränken. Die Projekte, die er für ASML durchführt, machen ihm sehr viel Spaß, aber sein Terminkalender ist einfach zu voll.

Piet van Rens war viele Jahre lang das Gesicht des Design Principles Trainingskurses. Er ist weiterhin als Kursleiter tätig, aber nicht mehr als Kursdirektor.

Van Eijk und Rankers mussten sich also auf die Suche nach Nachfolgern machen. Sie nutzten diese Situation, um den Lehrgang selbst neu zu gestalten. Seit etwa einem Jahr liegt das Schulungsprogramm in den Händen eines starken Teams von Spezialisten aus der niederländischen Präzisionswelt. Neben Van Rens konnte eine Handvoll Top-Experten gewonnen werden, die den Kursteilnehmern bewährtes Grundlagenwissen und Einblicke sowie relevante Ergänzungen im Bereich der Technik vermitteln. Zu den neuen Gesichtern gehören Huub Janssen vom Maastrichter Unternehmen Janssen Precision Engineering, Chris Werner und Roger Hamelinck von Entechna Engineering in Eindhoven, der Professor für Feinwerktechnik von der Universität Twente, Dannis Brouwer und Kees Verbaan von NTS. Die Premiere von Van Eijk und Rankers im Juni 2018 war ein Erfolg. Danach war das neue Schulungsprogramm ausgebucht und wurde mit einer Durchschnittsnote von 8,4 bewertet.

Das Wissen und die Erfahrung für die Schulung Designprinzipien Designprinzipien entstammt der Ideologie von Wim van der Hoek, dem renommierten Professor für Präzisionstechnik, dem die niederländische Hochtechnologie einen Großteil ihrer Designprinzipien und ihres Wissens verdankt. Van der Hoek entwickelte in den sechziger und siebziger Jahren eine Reihe wesentlicher Konstruktionsprinzipien, wie z.B. die berühmten Lochscharniere, mit denen Maschinenbauer eine Präzision im Nanometerbereich erreichen konnten.

Darüber hinaus erlangte Van der Hoek große Berühmtheit, indem er misslungene Entwürfe sammelte und sie in Kapitel 13 seines berüchtigten Des Duivels prentenboek aufnahm . Er erklärte, dass man am besten lernt, indem man Fehler macht. Das einfachste und billigste Training besteht darin, diese Fehler kennen zu lernen. Dieses Nachschlagewerk wurde so bekannt, dass es für jemanden eine Ehre war, wenn sein Entwurf und seine Verbesserungen darin aufgenommen wurden“, sagt Piet van Rens.

Van der Hoeks Nachfolger, die Professoren Rien Koster und Herman Soemers, bereichern diese Grundlage. Die neue Art der Ausbildung in Entwurfsprinzipien baut auf dem Erbe auf, das wir in den Niederlanden seit Jahrzehnten haben, nämlich richtig zu entwerfen und dabei die richtigen Entwurfsprinzipien anzuwenden“, sagt Kursleiter Adrian Rankers von der Mechatronics Academy, dem Partner, der für die Mechatronikausbildung am High Tech Institute verantwortlich ist.

Huub Janssen ist das neue Aushängeschild des Kurses Design Principles. Wie Piet van Rens stammt er aus der Denkschule von Professor Wim van der Hoek. Der Feinmechaniker ehrte seinen Mentor, indem er den neuen Besprechungs- und Vorführraum bei Janssen Precision Engineering nach der Person benannte, die ihn inspiriert hatte: Wim van der Hoek.

Der aktualisierte Lehrgang enthält zahlreiche neue Elemente. So wird zum Beispiel der Dämpfung und den fortgeschrittenen elastischen Elementen, die einen etwas größeren Hub haben, mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Elastische Elemente sind oft in ihrem Bewegungsumfang begrenzt, aber es gibt Konzepte, die größere Hübe erreichen. Dies ist eines der Forschungsthemen von Professor Dannis Brouwer von der Universität Twente, der einen Tag lang über Biegemechanismen referiert.

Brouwer kümmert sich auch um den Energieausgleich und die Kompensation der Schwerkraft (denken Sie an die Küchenschränke, die Sie vertikal öffnen und schließen können und die in jeder Position bleiben können, während sie sich leicht auf und ab bewegen). ‚Dazu gehört auch der Ausgleich von masseähnlichen Problemen‘, sagt Adrian Rankers. Wie bei einem komplexen Robotersystem, bei dem Sie versuchen, die Reaktionskräfte auf dem Boden loszuwerden, indem Sie einen anderen Körper gleichzeitig die richtigen Bewegungen ausführen lassen, die die Kräfte genau ausgleichen. Das kann kompliziert sein, deshalb haben wir es Energiekompensation genannt. Sie können es aber auch Energieausgleich nennen.

Rankers betont, dass der ‚mechatronische Kontext‘ während der gesamten Ausbildung wiederkehrt. ‚Einerseits stellt er zusätzliche Anforderungen an die Mechanik, andererseits bietet er auch alternative Lösungsräume. Wenn Sie früher ein Positionierungssystem erstellen mussten, taten Sie das mit einem Nockenantrieb und einer Antriebskette bis zu dem Element, das Sie richtig positionieren mussten. In dieser Kette gab es alle Arten von Reibung und Spiel, was sehr ärgerlich ist. Aber in einem mechatronischen Bewegungssystem haben Sie Sensoren an Ihrer Nutzlast. Sie sagen Ihnen genau, wie die Position oder der Positionsfehler ist. Im Prinzip macht es Ihnen nichts aus, wenn ein bisschen Reibung oder Spiel dazwischen ist, denn Sie haben die Informationen und können es sofort ausgleichen. Diese Art von Trends führt dazu, dass sich die Themenwahl für die Schulung Design Principles verschiebt, obwohl es immer noch stimmt, dass Sie mit klappernder Mechanik niemals eine hochwertige Systemlösung erhalten können‘, betont Rankers. ‚In den weniger wichtigen Themen haben wir etwas Platz für neue Themen geschaffen.‘

Wir haben hier eine lange Tradition in der Entwicklung von korrekten Entwurfsprinzipien“, sagt Adrian Rankers, Direktor der Mechatronics Academy. Wim van der Hoek hat damit angefangen, Rien Koster und Herman Soemers führen es fort.

Der Kursleiter Huub Janssen hat sich zum Ziel gesetzt, den Kurs über Konstruktionsprinzipien im Geiste von Van der Hoek zu gestalten. Wir sprechen über Konstruktionsprinzipien für die Feinmechanik. Das ist die Welt der komplexen Maschinen und Instrumente für die Chipindustrie, die Astronomie und die Raumfahrt. Um genauer als ein Mikrometer zu positionieren, können Sie nicht einfach Standardfunktionselemente wie Lager verwenden. Dann kommen Sie zu elastischen Elementen, ohne Reibung und solche Dinge. Danach wird es spannend, denn Sie sind der Physik sehr nahe.‘

Janssen sagt, dass Hersteller erkennen müssen, dass sie keine Standardteile aus einem Katalog kaufen können. Sie müssen ein bisschen weiter denken, alle Probleme analysieren, die auftreten können. Dann müssen Sie sich die Dinge im Kopf vorstellen, ‚Gedankenexperimente‘ machen: Wo kann etwas schief gehen? Wenn Sie das erkennen können, ist der Weg zur Lösung nicht mehr weit.

Während seiner Teilzeitprofessur forderte Van der Hoek seine Studenten auf, Gedankenexperimente durchzuführen. Janssen: „Ich kann mich noch daran erinnern, dass Van der Hoek seine Studenten aufforderte, in Gedanken in ein Kugellager zu kriechen und sich den äußeren und den inneren Ring mit all den Kugeln dazwischen vorzustellen. Wir mussten uns so klein machen, dass wir zwischen diesen sich drehenden Kugeln saßen. Dann sehen Sie, dass der Ball auf der einen Seite am Ring anliegt und auf der anderen Seite Platz zum Spielen hat. Als Nächstes sehen Sie, dass ein Ball nicht ganz rund ist, er hat Beulen und lässt sich nicht gut drehen. Sie müssen nicht viel Erfahrung haben, aber Sie brauchen eine Menge Fantasie.‘

Es ist kein Zufall, dass Janssen die Ausbildung durch Erfahrungen und Übungen bereichern will. Die Art und Weise, wie Lösungen gefunden werden, ist wichtig. Mit Formeln habe ich nicht viel zu tun. Natürlich werden sie gebraucht, aber das Rechnen ist die letzten zehn Prozent der Arbeit. In erster Linie müssen die Designer ein Gefühl für die Details bekommen. Worauf müssen sie achten? Wie lösen sie die Probleme? Sie müssen zunächst wissen, wo etwas schief gehen kann, und dann eine gute konzeptionelle Richtung einschlagen. Ich möchte vor allem die Intuition schulen. Berechnungstechniken kommen erst danach.‘

Er verwendet hauptsächlich Fallstudien, genau wie Van der Hoek es in seinem Des Duivels prentenboek getan hat. Die Teilnehmer arbeiten dabei allein und in Gruppen. Dann haben wir eine große Gruppendiskussion. Ich will keine Vorlesung, ich bevorzuge Interaktion.

Übungen, Interaktion und die Arbeit mit praktischen Fällen zeichnen die Strukturschulung aus, die die Mechatronik-Akademie und das High Tech Institute auf den Markt bringen. In anderen Organisationen ist die Schulung auch als dreitägige Variante erhältlich.

Piet van Rens hat auch Erfahrung als Trainer für diese dreitägige Variante. Er möchte betonen, dass die Teilnehmer der Kurzversion wirklich etwas verpassen. Einige Kunden verlangen, dass die von den Zeitarbeitsfirmen entsandten Mitarbeiter eine Schulung zu den Konstruktionsprinzipien absolvieren. Das bedeutet, dass sich einige Ingenieurbüros dann auf Kostenbasis oder für eine Abendversion entscheiden.‘

Van Rens ist der Meinung, dass dies keine so vernünftige Wahl ist. Praktische Übungen sind der wertvollste Bestandteil der Design Principles-Schulung. Sie sorgen dafür, dass die Inhalte wirklich verinnerlicht werden und die Teilnehmer sie tatsächlich verstehen und bei ihrer Arbeit anwenden. Dieses praktische Element ist genau das, was in der verkürzten Version wegfällt. „Die dreitägigen und abendlichen Schulungen sind nicht schlecht, aber sie knausern mit den Inhalten, um weniger Zeit zu haben. Dieser Effekt macht sich eher bemerkbar, wenn man nach einem normalen Arbeitstag lernt, denn abends sind die Leute müde. Wenn Sie nur Vorträge halten, ist das Ergebnis wirklich weniger effektiv“, meint Van Rens.

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von High-Tech Systeme.

Sie können das Schreiben guter Software-Sicherheit zu einer guten Gewohnheit machen. Etwas, an das Sie kaum denken, wie Zähneputzen oder Anlegen des Sicherheitsgurts. Das High Tech Institute arbeitet mit den Spezialisten des ungarischen Unternehmens Cydrill zusammen, um Ihnen das beizubringen.
‚Wir bringen Entwicklern bei, wie man nicht programmiert.‘ László Drajkó verunsichert seine Gesprächspartner gerne mit dieser kühnen Aussage. Doch genau darum geht es in den Software-Sicherheitskursen seines Unternehmens Cydrill: Entwicklern die professionelle Disziplin beizubringen, Schwachstellen in ihrer Software zu vermeiden.

Vielleicht ist ‚Disziplin‘ ein zu starkes Wort. Drajkó meint, es sei eher mit dem Anlegen des Sicherheitsgurtes zu vergleichen. Man merkt nicht mehr, dass man ihn anlegt. Auf die gleiche Weise können Sie sich die gute Gewohnheit aneignen, gute Software-Sicherheit zu schreiben. Und dann werden Sie automatisch Fallstricke vermeiden, ohne darüber nachzudenken. Wir bringen den Menschen bei, instinktiv gute Programmiergewohnheiten anzuwenden.‘ Sichere Kodierung braucht nicht mehr Zeit, sagt Drajkó. Man braucht Zeit, um es zu lernen, aber wenn man es einmal gelernt hat, gibt es keinen Unterschied mehr.

Menschen beizubringen, wie man sicheren Code schreibt, ist ein arbeitsintensives Unterfangen. Auf der ganzen Welt gibt es ständig Einbrüche, die Schwachstellen aufdecken. Es braucht ein großes Team, um mit all diesen Informationen Schritt zu halten und sie in Form von Fallstudien in das Schulungsmaterial einzuarbeiten. Ein unabhängiger Lehrer würde für jede Unterrichtsstunde vier Stunden damit verbringen, auf dem Laufenden zu bleiben und neues Material einzuarbeiten“, schätzt Drajkó.

Deshalb arbeitet das High Tech Institute mit Cydrill zusammen, einem Spezialisten, der sich voll und ganz auf die Ausbildung von Menschen zum Schreiben von sicherem Code konzentriert. Das ungarische Unternehmen ist besonders auf die Sicherheit von eingebetteten Systemen spezialisiert.

Wir verkaufen keine Schmerzmittel und Pflaster, sondern bauen ein Immunsystem auf, das extrem widerstandsfähig ist“, sagen Ernõ Jeges (links) und László Drajkó (rechts), die den High Tech Campus in Eindhoven im letzten Sommer besucht haben.

Der Commodore 64 und der ZX Spectrum

Cydrill befindet sich in Ungarns Hauptstadt Budapest. In den achtziger Jahren hatte der junge László Drajkó Zugang zu Computern, auch wenn dieser Zugang im russischen Einflussbereich sehr begrenzt war. Seine erste Bekanntschaft machte er, als er zwölf Jahre alt war. ‚Die Wissenschaft war unpolitisch. Das Bildungssystem war sehr theoretisch, aber ziemlich gut. Hinter dem Eisernen Vorhang mussten wir uns auf unseren Verstand verlassen und hatten nur wenige andere Ressourcen.‘

Drajkó und seine Kommilitonen schrieben ihren Code auf Papier. Wir haben ihn in unseren Köpfen durchgespielt. Wir suchten nach Programmierfehlern, die nie implementiert worden waren. Wir machten unsere Korrekturen auch auf Papier. Denn als wir endlich Zugang zu einer Maschine hatten, wollten wir sie mit fehlerfreien Programmen füttern. Wir hatten kaum Geld oder Computer.‘

Mitte der achtziger Jahre durften die ungarischen Programmierer nach Deutschland und Österreich reisen, wo sie Commodore 64s und ZX Spectrums kaufen konnten. Die Generation vor unserer musste Millionen von Dollar für einen Computer berappen, aber plötzlich konnten wir einen Heimcomputer für fünfhundert Dollar kaufen. Der PC hatte einen großen Einfluss auf unsere Altersgruppe.‘

Mitte der achtziger Jahre studierte Drajkó Informatik in Ungarn. Noch während seines Studiums fiel der Eiserne Vorhang, was einen großen Einfluss auf ihn hatte. Ein Stipendium der Europäischen Wirtschaftsgemeinschaft ermöglichte ihm ein Studium an der Technischen Universität Delft. Das Ergebnis war ein Kulturschock. In den ersten Monaten in den Niederlanden erlebte er eine „totale Fehlkommunikation“.

Obwohl er Englisch sprach, verstand Drajkó die Fragen seiner Berater nicht. Nicht in Bezug auf die Sprache, aber konzeptionell. Der pädagogische Ansatz war völlig anders. Sie fragten mich Dinge wie: ‚László, an welchem Problem möchtest du arbeiten?‘ Und ich habe gesagt: ‚Nein, nein, ich habe keine Probleme. Sagen Sie mir einfach, welchen Code ich schreiben soll und ich werde den besten Algorithmus dafür finden.‘ Aber dann sagten sie Dinge wie: ‚Wie würden Sie die Welt gerne zum Besseren verändern?‘ Und ich dachte: ‚Ich bin in der Kunstschule gelandet!‘

Als ich in Delft studierte, dachte ich, ich würde an der Kunsthochschule landen“ – László Drajkó über den Kulturschock, den er als ungarischer Student in den Niederlanden erlebte.

Novell, Compaq und Microsoft

Nachdem er fünfundzwanzig Jahre lang für internationale Unternehmen wie Novell, Compaq und Microsoft gearbeitet hatte, beschloss Drajkó, in ein Schulungsunternehmen zu investieren. Er wollte sein Wissen weitergeben und war auf der Suche nach einer geeigneten Nische. Er fand sie im Bereich Sicherheit. Ich fragte mich, was falsch lief, und eine der Antworten war Cybersicherheit.

Vor einiger Zeit traf Drajkó auf zwei bekannte Gesichter, Zoltán Hornák und Ernõ Jeges. Alle drei haben an der Technischen Universität Budapest studiert, aber Hornák und Jeges kennen sich schon seit 1990. In jenem Jahr traten der Ungar und der Serbe bei der zweiten Internationalen Informatikolympiade in Minsk gegeneinander an. Ein paar Jahre später beschloss Jeges, in Budapest Informatik zu studieren.

Hornák und Jeges wurden schnell Freunde und während ihrer Doktorarbeit führten sie Tests für Nokia durch, bei denen sie in Mobiltelefone und vernetzte Systeme einbrachen. Die Nachfrage war so groß, dass sie ihre Doktorarbeit abbrachen und begannen, im Auftrag Systeme zu hacken. Damals war White Hat Hacking noch Neuland“, sagt Jeges. Nur sehr wenige Unternehmen haben das gemacht. Nokia hatte eine Menge Aufträge, und wir merkten, dass wir bei der Arbeit mehr lernten als an der Universität.

Die Aufträge für Penetrationstests (Pentesting) flossen in Strömen zu ihrem Unternehmen Search Lab: Die beiden wurden angeheuert, um in Netzwerkhardware, Set-Top-Boxen und mehr einzubrechen. Die meisten der Zielsysteme waren eingebettet. Nicht viele Sicherheitsunternehmen konzentrieren sich auf diese, denn man muss das System auf Chipebene verstehen. Die meisten Pentesting-Firmen konzentrieren sich auf Websites und Webdienste, aber wir haben uns ausdrücklich auf eingebettete Systeme spezialisiert.

Die Krise von 2008 hat Search Lab hart getroffen. In dieser Zeit wechselte die Mobiltelefonbranche vollständig zu den Plattformen Iphone und Android. Hornák und Jeges verloren den Großteil ihres Geschäfts mit Kunden, mit denen sie schon lange zusammenarbeiteten.

Ihr gemeinsamer Fokus auf Sicherheit hat den Klick bei Drajkó ausgelöst. Die Zahl der Vorfälle nimmt exponentiell zu, während das Bewusstsein dafür minimal ist“, erklärt er. Nur eine Handvoll Unternehmen unternimmt etwas dagegen. Alle sind damit beschäftigt, Fehler zu beheben, aber das löst das Problem nicht. Aufklärung ist die große Chance, eine Software-Sicherheitskrise zu verhindern. Unsere Haltung ist, dass wir keine Schmerzmittel und Pflaster verkaufen, sondern ein Immunsystem aufbauen, das extrem widerstandsfähig ist.

Das Ziel von Ernõ Jeges ist es nicht, den Menschen beizubringen, wie man hackt, sondern Paranoia zu schüren.

Paranoia schüren

2018 gründeten Drajkó und Jeges Cydrill, ein Unternehmen, das sich auf Schulungen konzentriert. Die Sicherheitsbranche ist in ständiger Bewegung, und um damit Schritt zu halten, bietet Cydrill zusätzlich zu den traditionellen Kursen auch Online-Schulungen an. Gegen eine bescheidene Jahresgebühr können die Teilnehmer ihr Wissen mit Hilfe einer digitalen Gamification-Plattform auffrischen. Der Online-Ansatz macht es auch einfach, die Ergebnisse zu verfolgen. Wir messen unseren Erfolg daran, wie unsere Kunden unser Fachwissen in Programmiergewohnheiten umsetzen“, sagt Drajkó.

Der Bedarf an inhärent sicherem Code ist groß, aber nicht alle Entwickler sind von Sicherheitskursen begeistert. Wenn man Entwickler bittet, einen Kurs aus neunzehn verschiedenen Optionen zu wählen, wird Sicherheit wahrscheinlich ganz unten auf der Liste stehen. Das klingt sehr präskriptiv. Eine neue Plattform, eine neue Sprache oder eine neue Architektur ist für sie viel attraktiver.

In den Software-Sicherheitskursen von Cydrill lernen Entwickler nicht, wie man hackt. Es gibt viele Kurse, die das tun, sagt Drajkó. Viele seiner Kunden in den USA haben Erfahrung damit. Aber sie haben sich von ihnen abgewandt, weil die Kursdesigner es nicht mit ihrer täglichen Arbeit in Verbindung bringen konnten.

Drajkó glaubt, dass das Erlernen von Hacking-Techniken, um Hacks zu verhindern, Zeitverschwendung ist. Es spielt keine Rolle, ob es sich um ethisches Hacken oder Hacken mit böser Absicht handelt. Denn in Bezug auf die Technologie gibt es keinen Unterschied; es ist eine Frage der Moral.‘

Drajkó ist der Meinung, dass Entwickler gut darüber Bescheid wissen müssen, was genau Hacking ist. Deshalb sprechen wir es an. Die Teilnehmer müssen auch verstehen, dass Hacker unendlich viel Zeit und unendlich viele Ressourcen haben. Sie machen von Bots und Computern Dritter Gebrauch. Im Bereich der eingebetteten Systeme nimmt diese Nutzung im Gleichschritt mit dem Internet der Dinge zu.

Deshalb beginnen die Kurse von Cydrill immer mit einem Blick in den Kopf des Hackers. Wir zeigen ihnen zum Beispiel, dass ein Pufferüberlauf ein Problem sein kann“, sagt Jeges. Dass jemand auf diese Weise die Kontrolle übernehmen kann und dass es nicht mehr Ihr Programm ist, das läuft.

Jeges‘ Ziel ist es nicht, den Leuten beizubringen, wie man hackt, sondern ihnen Paranoia einzuflößen. Am ersten Tag gehen die Teilnehmer mit einem unguten Gefühl nach Hause. Sie erkennen, dass sie in der Vergangenheit Fehler gemacht haben. Dieses Gefühl ist wichtig. Es hat eine Wirkung, die wir mit Online-Schulungen nicht erreichen können. Nach dieser Erfahrung sind die Teilnehmer ganz Ohr, bemerkt Jeges mit einem Lächeln. ‚Emotional und intellektuell.‘

Das macht die Klasse reif für die Behandlung von Best Practices. Wir zeigen ihnen den Unterschied zwischen gut gemeinten Versuchen, den Code hacksicher zu machen, und tatsächlichen Best Practices“, sagt Jeges. Sie können die neuen Techniken und Fähigkeiten, die sie lernen, schon am nächsten Tag anwenden.

Fallstudien sind ein wichtiger Bestandteil dieser Best Practices. Wir verwenden jeden Vorfall, der weltweit Schlagzeilen gemacht hat“, erklärt Jeges.

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von Bits&Chips.

Die Softwareentwicklung konzentriert sich oft ausschließlich auf das Hinzufügen von Funktionen; für Themen wie Wartbarkeit, Architektur und Leistung bleibt keine Zeit. Das muss nicht schwierig sein, sagt Softwaretrainer Onno van Roosmalen, aber es gibt Missverständnisse über Agile, Architektur, UML, objektorientierte Programmierung und testgetriebene Entwicklung.

Modeln? So etwas machen wir nicht. Entwurfsmuster? Lassen wir ausfallen. Weil wir agil arbeiten. Onno van Roosmalen hört das regelmäßig: Agilität als Ausrede oder sogar als Vorwand, um Softwarearchitektur nicht ernst zu nehmen. Als Ausbilder im Bereich der Softwareentwicklung stellt er fest, dass es viele Missverständnisse in Bezug auf nicht-funktionale Anforderungen gibt: Architektur, Schnittstellen, Leistung, Modellierung, Wartbarkeit und so weiter.

Missverständnisse, die sich leicht erklären lassen, weil sie mit dem schwer fassbaren Konzept der ‚Softwarequalität‘ zu tun haben. „Qualität ist für viele Menschen nicht sichtbar“, sagt Van Roosmalen. „Wenn es funktioniert, dann funktioniert es und Manager, Kunden und Benutzer denken, dass es so gut wie fertig ist. Es wird sehr schwierig zu argumentieren, warum man etwas extra machen muss. In der Praxis erhalten die Entwickler jedoch eine klare Gegenleistung dafür.“

Viele dieser Missverständnisse über die Qualität von Software gibt es auch unter den Entwicklern selbst. Beliebte Softwaretechniken, wie die testgetriebene Entwicklung, tragen seiner Meinung nach nicht dazu bei: „Die testgetriebene Entwicklung konzentriert sich vollständig auf die Funktionalität. Aspekte, die typischerweise mit der Architektur verbunden sind, wie Leistung, Wiederverwendbarkeit, Erweiterbarkeit und Softwareevolution, sind sehr schwer zu testen. Genau wie Race Conditions und Deadlocks.“

„Es gibt auch die Vorstellung, dass Architektur etwas Abstraktes ist, das im Voraus erdacht werden muss, was dann die Richtung des Projekts in eine Zwangsjacke zwingt – eine Big-Bang-Architektur, die beim ersten Mal richtig sein muss. Aber das geht nicht. Oft weiß man nicht, was als nächstes kommt“, erklärt Van Roosmalen. „Natürlich ist es gut, eine Vorstellung davon zu haben, wie man es einrichten will. Aber manchmal sieht man, dass sich die Projekte bereits auf bestimmte Ergänzungen vorbereiten. Dann denke ich oft: Ja, und werden sie wirklich kommen?“

Außerdem verstaubt die zugrunde liegende Theorie mit der Zeit. Das merkt er zum Beispiel bei seiner Grundausbildung zum Thema Emergent Object-Oriented Design in the Age of AI (OOAD). Er trifft dort auf Teilnehmer mit einem elektrotechnischen Hintergrund, aber auch auf Leute, die einen IT-Abschluss erworben haben. „Man sieht jedoch, dass viele von ihnen Probleme prozedural statt objektorientiert analysieren“, sagt Van Roosmalen. „Das ist es, was sich einschleicht, wenn Menschen unter Druck Software entwickeln, während man in Wirklichkeit bemerkenswert bessere Software entwickeln kann, wenn man die Richtlinien richtig anwendet.“

‚In C# ist das nicht so‘

Van Roosmalen selbst hat einen ganz anderen Hintergrund: Er studierte Physik in Nijmegen und promovierte am Kernfysischen Versneller Instituut in Groningen. Dann ging er nach Amerika, um eine Postdoc-Stelle am California Institute of Technology anzutreten.

Der Wendepunkt kam im Jahr 1987. Van Roosmalen und seine Frau wollten eigentlich in die Niederlande zurückkehren, aber Jobs in der Physik waren nicht zu haben. Als an der Technischen Universität Eindhoven eine Stelle im Bereich der technischen Informatik frei wurde, beschloss Van Roosmalen, diese Gelegenheit zu nutzen; seine Arbeit auf dem Gebiet der Computerphysik hatte sein Interesse an Software und Computern geweckt.

Außerdem stellte Van Roosmalen fest, dass er gerne unterrichtete. Vor seiner Rückkehr in die Niederlande hatte er bereits drei Jahre lang in Yale gelehrt, und als Anfang der neunziger Jahre objektorientierte Techniken aufkamen, begann er mit der Schulung von Unternehmen. Nach der Jahrtausendwende beschloss er, seine Beschäftigung bei der TUE zu reduzieren, um sich schließlich ganz auf die Ausbildung zu konzentrieren. Er arbeitet immer noch für die Universität Eindhoven, die ihn für den PDEng-Kurs in Softwaretechnologie anheuert.

Deshalb bietet Van Roosmalen auch Schulungen für Entwickler an, die schon ein paar Jahre in einem Unternehmen beschäftigt sind. Er stellt einen großen Unterschied bei den Anfängern fest: Je länger die Entwickler hinter der Tastatur verbracht haben, desto empfänglicher sind sie im Allgemeinen für fortgeschrittene Konzepte der Softwaretechnik. „Man fängt an, die Dinge auf eine andere Art und Weise zu betrachten und ich glaube, man sieht die Dinge mehr im Zusammenhang. Es bleibt ein bisschen besser haften.“

„In den meisten objektorientierten Programmiersprachen können Objekte derselben Klasse zum Beispiel direkt auf die privaten Attribute der anderen zugreifen. Die Leute wissen das oft gar nicht. Dann probieren sie es aus, und es stellt sich heraus, dass es stimmt. Sie sagen dann oft etwas wie: ‚Aber in C# ist das nicht so.‘ Und dann stellt sich heraus, dass es dort genau so ist“, gibt Van Roosmalen als Beispiel an. „Es scheint elementar zu sein, aber es stecken wichtige Ideen dahinter, und die meisten Entwickler sprechen gerne wieder darüber. In den meisten Schulungen geht es um den Prozess und all das, und nicht um die technischen Dinge.“

Defensiv

„Genau dieses Wissen über Objektorientierung bildet die Grundlage für einen Großteil der Architektur einer typischen Anwendung. Das bedeutet, dass Sie automatisch mit wichtigen Softwareeigenschaften wie dem Verstecken von Informationen und der Kapselung konfrontiert werden, d.h. der Idee, dass Sie Informationen lokalisieren und nicht durch das gesamte System werfen. In der Praxis erleben Sie regelmäßig, dass ein Team eine Komponente mit zusätzlichen Funktionen ausstattet und dann das gesamte System wie Dominosteine umkippt. Das macht es problematisch, etwas hinzuzufügen. Bei vielen Webanwendungen sieht man, dass diese Idee ein wenig kaputt ist“, sagt Van Roosmalen.

Und dann geht das Verstecken von Informationen Hand in Hand mit dem Mittel, über das die Komponenten miteinander kommunizieren: die Schnittstelle oder API. „Sie ermöglicht es Ihnen, die detaillierte Form Ihrer Objekte zu verbergen und sicherzustellen, dass keine Implementierungsdetails nach außen dringen. Sie sorgen also dafür, dass der Client-Code nur das tun kann, was gerade angefordert wird, nicht mehr und nicht weniger“, erklärt Van Roosmalen.

Die Idee dahinter ist, dass die Entwicklung von Komponenten auf diese Weise entkoppelt werden kann. Wenn eine neue Version einer Komponente weiterhin das tut, was sie früher über eine Schnittstelle getan hat, muss die darauf aufbauende Software nicht sofort geändert werden. Ein Entwicklungsteam, das gegen die Komponente programmiert, kann die neue Version gefahrlos verwenden, ohne Angst haben zu müssen, dass dabei etwas umkippt. Wenn Kapselung und Schnittstellen in Ordnung sind, wird fast automatisch eine wartbare, skalierbare Architektur geschaffen, die mit der Anwendung wachsen kann.

Dies erfordert jedoch, dass die Teams bei der Gestaltung ihrer Schnittstellen eine defensive Haltung einnehmen. „Sie sollten nicht einfach alles anbieten, was andere Teams verlangen. Je mehr Sie anbieten, desto mehr unbeabsichtigte Nutzungen gibt es. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Dinge mit einer neuen Version umfallen. Sie können eine Schnittstelle später immer noch erweitern, aber eine Verkleinerung ist viel schwieriger“, sagt Van Roosmalen.

„Ich habe dafür einen sehr schönen Workshop, den ich mit den TUE-Azubis durchführe. Mehrere Teams erhalten die Aufgabe, eine Komponente mit einer Schnittstelle zu entwickeln. Danach müssen sie eine funktionale Erweiterung dazu machen – natürlich unerwartet; das halte ich geheim. Dann müssen sie versuchen, für die Komponenten der anderen Teams Testfälle zu erstellen, die gegen die erste Variante funktionieren, aber nicht mehr gegen die zweite. Das sind echte Augenöffner, denn oft sind solche Tests im Handumdrehen gemacht.

Trickkiste

Die Entwickler müssen das Rad nicht jedes Mal neu erfinden. Für viele Probleme haben sich im Laufe der Jahre bewährte Verfahren in Form von Mustern herausgebildet. „Sie können zum Beispiel Ihre Architektur in Schichten aufbauen: Das ist ein Architekturmuster. Um diese Schichten zu strukturieren, verwenden Sie verschiedene Entwurfsmuster.“

Van Roosmalen bietet einen Schulungskurs an, der ganz diesem Thema gewidmet ist: Design Patterns und Emergente Architektur. Das ist natürlich sehr weit gefasst, aber die Idee dahinter ist vor allem, zu zeigen, dass Sie diese Trickkiste haben. „Eigentlich ist das eine meiner Lieblingsschulungen, weil man wirklich über Softwaredesign spricht und weil man damit alle möglichen praktischen Probleme angehen kann. Es geht auch um ganz andere technische Aspekte, wie z.B. Zustandsautomaten mit möglichen Deadlocks.“

Van Roosmalen bietet zusammen mit einem ehemaligen TUE-Kollegen auch einen Folgekurs zu einem anderen Architekturthema an: Echtzeitverhalten. In der Regel geht es um Probleme mit Systemen, die mehrere gleichzeitige Aufgaben ausführen müssen, die zeitlichen Anforderungen unterliegen. Heutzutage ermöglichen die meisten modernen Programmiersprachen die Programmierung von Gleichzeitigkeit, und das führt zu ganz speziellen Problemen wie Race Conditions und Deadlocks.

Auch hier geht schon bei den Grundlagen einiges schief, bemerkt Van Roosmalen: „Viele Leute, die Probleme mit Echtzeit haben, verwenden ein Betriebssystem wie Microsoft Windows. Nun, das ist kein Echtzeit-Betriebssystem. Es enthält zwar viele Dinge wie Echtzeitprioritäten und so weiter. Aber es fehlen viele andere Dinge, die ebenfalls für Echtzeitverhalten notwendig sind. Dann müssen Sie sich ein bisschen auf den Kopf stellen, um es richtig zu machen.“

„In Echtzeitsystemen gibt es zum Beispiel das Problem der Prioritätsumkehrung, bei der eine Aufgabe mit niedriger Priorität eine Ressource beansprucht, so dass Aufgaben mit höherer Priorität sie nicht nutzen können. Es gibt Mechanismen, um dies auf ein Minimum zu beschränken, und sie müssen im Betriebssystem enthalten sein.“

Bindung an den Lieferanten

Van Roosmalen bietet auch eine grundlegende Schulung zu SysML, einer Variante von UML für die Systemtechnik. Systemingenieure modellieren viel, doch SysML wird in der Praxis nur spärlich eingesetzt. Dafür gibt es einen Grund: „Für die Systemtechnik werden viele kommerziell erhältliche Tools wie Matlab und Simulink verwendet. Diese liefern keine standardisierten Modelle. Das wollen die Anbieter von Werkzeugen ohnehin nicht, denn sie könnten ihr Geschäft verlieren. Sie setzen auf Vendor Lock-in.“

Aber mit SysML können Sie diese Modelle dennoch miteinander integrieren und ein übergreifendes Modell Ihres Systems erstellen. Die OMG, die Standardisierungsgruppe hinter SysML, hat versucht, diese Modellierungstechniken so zu kombinieren, dass das Ganze alles abdeckt und gleichzeitig methodisch solide ist. „Das hat ziemlich gut funktioniert, aber es macht die Modellierungssprachen furchtbar groß.“

Van Roosmalen ist der Meinung, dass Softwareentwickler die Modellierung ebenfalls etwas ernster nehmen sollten. In seinen Kursen stützt er sich selbst stark auf die UML – zum Teil, weil eine Schulung zu kurz ist, um sich ausführlich mit der Programmierung zu befassen, auch wenn Programme als Proof of Concept zur Verfügung gestellt werden. Aber auch, weil sie gute Ansatzpunkte bietet, um über die Klassenstruktur nachzudenken und die Architektur zu überdenken.

„Was die UML betrifft, so haben die meisten Softwareentwickler sie schon einmal gesehen, aber die Schwelle, um wirklich damit anzufangen, ist ziemlich hoch. Die Erstellung eines guten Modells erfordert wirklich eine Investition, bevor sie sich auszahlt“, stimmt Van Roosmalen zu. Außerdem mangelt es Softwareentwicklern ein wenig an der Disziplin, die Systementwickler haben, stellt er fest.

Aber das ist wiederum ein Symptom dafür, dass Qualität bei Software schwer zu erkennen ist und sich erst langfristig bemerkbar macht, während das bei der Systemtechnik natürlich anders ist. „Für Programmierer ist es daher wichtig, die Qualität auf die Karte zu setzen. Und im Gegensatz zu dem, was man manchmal denkt, kann Agile dabei helfen“, sagt Van Roosmalen: „Das Agile Manifest besagt einfach, dass man der Softwarequalität Aufmerksamkeit schenken muss. Es enthält sehr vernünftige Aussagen dazu, aber man muss das, was dort gepredigt wird, auch in die Praxis umsetzen.“

Dieser Artikel wurde von Pieter Edelman geschrieben, Tech-Redakteur von Bits&Chips.

Jasper Nuyens war an der Wiege von Embedded Linux dabei und entwickelte 2005 in Zusammenarbeit mit Mind in Leuven (jetzt Essensium) die erste Embedded Linux-Schulung der Welt. Seit einigen Jahren bietet das High Tech Institute in den Niederlanden exklusiv die Schulung für Embedded Linux an. Der belgische Linux-Pionier erzählt uns, wie sein fünftägiger Kurs abläuft.

Jasper Nuyens, Gründer von Linux Belgium und Trainer für Embedded Linux am High Tech Institute.

Gerade als Jasper Nuyens sich Mitte der neunziger Jahre intensiv mit Linux beschäftigte, gab es eine Initiative, um den Platzbedarf des Systems zu verringern. Dieses ‚Linux Router Project‘ war ein Versuch, einen kompletten Linux-basierten Router von einer 1,4-Megabyte-Diskette aus zu betreiben. Nuyens: ‚Dies geschah, um alte PCs mit einer Reihe von Netzwerkkarten als Server oder Router zu verwenden. Es war eine große Herausforderung, bei der die Kompilierung des Linux-Kernels eine sehr wichtige Rolle spielte. Die Tricks, die wir aus dem Ärmel zaubern mussten, damit das funktioniert, waren eigentlich ein Anfang von Embedded Linux: ein kleines System, in das man viele Anwendungen einbauen kann.‘ Das Projekt lebt in aktuellen Routerprojekten wie OpenWRT und DD-WRT weiter.

Aufgrund seiner umfangreichen Erfahrung ziehen Organisationen Nuyens zu Rate, ‚wenn es wirklich schwierige Probleme gibt‘. Das sorgt dafür, dass er sich mit sehr speziellen Fällen eingehender befassen kann. Nuyens: „Das macht die Arbeit sehr interessant. Es sorgt auch dafür, dass unser Kurs auf dem neuesten Stand bleibt.

Nuyens passt seine Schulungen immer an die neuesten Entwicklungen an. Wir hatten jetzt etwa hundert Ausgaben, während wir bei Version 65 des Kurses sind. Als Beispiel nennt er das Embedded Build-System Buildroot und OpenEmbedded / Yocto, das im neuen Jahrtausend verfügbar wurde. Wir beziehen das auch in unser Training ein. Wir passen das Material immer an die neuesten Entwicklungen an.

Die größten Embedded Linux Probleme landen auf Jasper Nuyens Schreibtisch.

Was macht die Ausbildung in Embedded Linux so erfolgreich?
‚Bei Linux haben Sie den Quellcode aller Komponenten, vom Bootloader über den Kernel bis hin zu den Zehntausenden von Anwendungen, die im Benutzerbereich zur Verfügung stehen. Sie können alles verwenden und haben eine Menge Auswahlmöglichkeiten. Das bedeutet, dass Sie lernen müssen, den Wald vor lauter Bäumen nicht zu sehen. Es gibt viele Möglichkeiten. Viele Anwendungen verhalten sich ein wenig anders, aber Sie können sie verfeinern. Das ist eigentlich der Kern unseres Kurses: den Leuten zu helfen, ihren Weg zu finden und die besten Entscheidungen zu treffen.‘

Sie können auch alles selbst im Internet lernen.
‚Natürlich ist es keine Raketenwissenschaft. Sie können einzelne Themen online lernen. Der Embedded Linux-Kurs fasst jedoch alles zusammen und bietet ein Gesamtbild, von Grund auf. Selbst Leute, die sich schon lange mit Embedded Linux beschäftigen, sehen nicht immer, wie die Dinge zusammenpassen oder wie die verschiedenen Komponenten miteinander interagieren. Die Schulung gibt Ihnen eine Starthilfe, einen Anstoß in der Embedded Linux-Welt.‘

Linux ist kein Echtzeit-Betriebssystem. Inwieweit spielt das eine Rolle bei der Wahl dieses Betriebssystems für eingebettete Systeme?
‚Wenn Leute anfangen, Embedded Linux zu verwenden, denken sie normalerweise, dass Echtzeit eine wichtige Anforderung für ihr System ist. Sie arbeiten oft mit Mikrocontrollern mit einer niedrigen Taktrate. Die Timing-Einschränkungen können dann ein Echtzeitverhalten erzwingen. Tatsächlich brauchen sie es aber oft nicht. Auf den aktuellen Systems On Chip läuft Linux manchmal mit einem Gigahertz oder mehr. Daher ist die Verwendung von Linux in Echtzeit in der Praxis selten erforderlich.‘
‚Es gibt auch verschiedene Stufen, mit denen Sie unter Linux in Echtzeit arbeiten können. Darauf gehen wir in unserer Schulung ein. Mit dem Standard-Linux-Kernel haben Sie weiche Echtzeitmöglichkeiten. Aber Sie können Linux auch zu einem harten Echtzeitbetriebssystem machen und es gibt auch Zwischenformen. Die Studenten lernen, diese Entscheidungen je nach ihren Bedürfnissen zu treffen.‘

Inwieweit gehen Sie auf die rechtlichen Aspekte von Open Source ein?
‚Wir bieten keine juristischen Schulungen an, aber wir machen deutlich, was die verschiedenen Open-Source-Lizenzen bedeuten und welche Folgen sie haben, einschließlich der Patentierung von Software und Hardware und Markenfragen. Viele Softwareentwickler wissen nicht genug über die Konsequenzen ihrer Entscheidung für Open Source. Sie müssen in der Lage sein, ihr Management darüber und über die wenigen Anforderungen, die Open-Source-Lizenzen mit sich bringen, gut zu informieren.‘
‚Manche sind so begeistert von der Open-Source-Geschichte, dass sie nichts Negatives darüber sagen wollen. Aber Unternehmen, die Open-Source-Software verwenden und implementieren, müssen genau wissen, was sie tun müssen. Sie müssen auch objektive Informationen über die Verpflichtungen und Risiken haben.‘

Die Teilnehmer sollten vorzugsweise Erfahrung mit Linux und C-Programmierung haben, aber ist das notwendig?
‚Das ist richtig. Es ist schön, sie zu haben. Wir empfangen zwei Arten von Studenten. Wir haben diejenigen, die viel Erfahrung im Bereich Embedded haben, aber nur begrenzte Linux-Kenntnisse besitzen. Und wir haben diejenigen mit Linux-Erfahrung, sogar mit viel Embedded Linux-Erfahrung, die ihre Kenntnisse vertiefen wollen.‘
‚Es gibt einen sehr großen Niveauunterschied zwischen beiden Profilen. Die erste Gruppe hat kaum Erfahrung mit der Kommandozeile. Das ist ein großer Schritt für sie. Auf ihrem Laptop haben sie eine Linux-‚Eingabeaufforderung‘ und auf dem Embedded Board haben sie ebenfalls eine ‚Eingabeaufforderung‘. Sie dürfen sie nicht verwechseln. Wenn Ihr Embedded Board beim Booten in den Boot-Modus geht, in den Boot-Loader, dann ist das eine weitere Eingabeaufforderung, in die Sie verschiedene Arten von Befehlen eingeben können. Das ist dasselbe: Sie können sie nicht verwechseln.‘
‚Leute aus der Embedded-Welt ohne Linux-Erfahrung haben es meist schwerer. Wir haben festgestellt, dass sich beide Gruppen gegenseitig helfen. Wir beginnen den Kurs mit Informationen, die für Leute, die bereits mit Linux gearbeitet haben, ziemlich grundlegend sind. Er bietet jedoch die nötige Tiefe, um neue Dinge zu entdecken, so dass sich die erfahreneren Embedded Linux-Leute nicht langweilen. Es geht um Ausgewogenheit, aber die Gruppe ist klein genug, um das gut zu bewältigen und die Fragen der einzelnen Teilnehmer zu beantworten.‘

Die maximale Teilnehmerzahl liegt bei acht Personen.
Ja, acht ist unsere magische Zahl, wie wir nach und nach herausgefunden haben. Denn während der Schulung stellt jeder Fragen aus seiner eigenen Perspektive. Die losen Enden, die sie nicht sofort mit ihrem vorhandenen Wissen in Verbindung bringen können. Deshalb brauchen wir ein gewisses Maß an Interaktivität. Die Studenten programmieren ihre Plattform während der Schulung und es gibt weitere fortschrittliche optionale Übungen für diejenigen, die schneller sind. Es funktioniert gut, wenn sie ihre Fragen sofort stellen können und ich mich sofort darum kümmern kann.‘
‚Linux hat auch eine sehr steile Lernkurve. Am Anfang müssen Sie eine Menge Informationen aufnehmen. Wir wollen allen helfen, einen echten Sprung nach vorne zu machen.‘

Ist das immer möglich?
‚Da kommen wir eigentlich ganz gut zurecht. Der interne Betrieb des Linux-Kernels ist der schwierigste Teil. Dabei geht es nicht darum, wie die Programme auf dem Kernel arbeiten, sondern wie der Kernel intern funktioniert. Das ist ein schwieriger Teil für Leute, die die Materie ohnehin schon schwierig finden. Es ist eine zusätzliche Ebene der Komplexität. Wenn wir feststellen, dass die gesamte Gruppe langsamer ist, werden wir weniger Zeit darauf verwenden.‘
‚Wir bieten auch einen separaten Kurs für die Kernelentwicklung an. Teilnehmer, die Gerätetreiber erstellen müssen, können nach diesem Kurs den Kurs zur Kernelentwicklung besuchen. Die Teilnahme am Embedded Linux-Kurs ist eine Voraussetzung, es sei denn, die Teilnehmer arbeiten seit mindestens 5 Jahren mit Linux.‘

Welche Leute sind eigentlich zu früh dran?
‚Diejenigen, die bisher nur mit Mikrocontrollern gearbeitet haben und wenig Kenntnisse über Linux haben. Wir stellen sicher, dass sie auf der Kommandozeile arbeiten können, dass sie ihr Board auf eine neue Softwareversion aktualisieren können, die sie selbst vollständig kompiliert haben, und dass sie vom Netzwerk booten können, indem sie das Netzwerkdateisystem als Root-Dateisystem verwenden, und so weiter. Das geht auch ohne Vorkenntnisse, indem man sie eine Reihe von Übungen machen lässt, aber allen Teilnehmern ist damit geholfen, wenn sie – im Vorfeld – das Arbeiten mit der Linux-Kommandozeile gelernt haben.‘

Werden auch erfahrenere Leute auf ihre Kosten kommen?
‚Auf jeden Fall. Menschen mit Erfahrung in Linux oder Embedded Linux werden sich nicht langweilen. Je mehr sie im Voraus wissen, desto mehr werden sie davon haben. Wir bieten so viele tiefgreifende Informationen und Hintergrundinformationen, dass sie immer etwas lernen werden. Wir gehen breit und sehr tief.‘

In seiner Embedded Linux-Schulung arbeiten die Teilnehmer zunächst mit einer Beaglebone Black-Plattform.

Dies ist ein Druck mit einem Sitara System on Chip von Texas Instruments. Dieser amerikanische Chiphersteller hat die gemeinnützige BeagleBone Foundation gegründet, um Linux-Unterstützung für diese Plattformen zu bieten. Es ist in erster Linie ein Schaufenster für die Sitara-Plattform“, sagt Nuyens. Aber es bietet Entwicklern auch einen praktischen Schritt nach vorn. Jeder kann kostenlos mit der Technologie herumspielen. Das gesamte BeagleBone-Design, das komplette PCB-Layout mit all seinen Varianten kann von den Kunden vollständig wiederverwendet werden. Durch geringfügige Änderungen am Referenzdesign können Sie die Markteinführung neuer Produkte beschleunigen, indem Sie die möglicherweise langwierige Arbeit auf der Softwareseite reduzieren.‘

Auf Wunsch hat Nuyens auch andere Boards für den Kurs im Angebot. Es ist möglich, die Schulung auf der i.MX 6 Plattform von Freescale (heute NXP) durchzuführen. Dies ist auch eine beliebte Plattform in der Linux-Welt. Die i.MX6-Familie hat Varianten mit einem, zwei und vier Kernen. Letztere sind für Multimedia-Anwendungen leistungsfähiger.‘ Andere Varianten, auf denen die Embedded Linux-Schulung stattfinden kann, sind das ZedBoard von Avnet und die AVR32-Plattform von Atmel. Die Schulungen für diese Plattformen werden von Nuyens in der Regel auf spezielle Anfragen hin durchgeführt und finden in der Regel bei den Kunden vor Ort statt.

Lesen Sie auch das Interview mit Jasper Nuyens in Bits&Chips.

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von Bits&Chips.

Die High-Tech-Branche ist aufregend und dynamisch. Aber wenn Sie das Gefühl haben, dass Sie immer einen Schritt hinter den Tatsachen zurückbleiben, dass Ihre Arbeit nie fertig wird und Sie den Stress von der Arbeit noch mit nach Hause nehmen, dann ist es höchste Zeit, Ihre Arbeitsweise zu ändern. Frank Rood weiß als erfahrener Systemarchitekt und technischer Manager genau, auf welche Hindernisse Sie stoßen können und wie Sie diese im Rahmen des Zeitmanagements überwinden können. Er schöpft auch reichlich aus seiner eigenen Erfahrung. Ich habe gelernt, wie man mit jeder einzelnen Fallgrube umgeht, die es gibt.

Frank Rood (1968) kennt das Zeitmanagement und die High-Tech-Welt durch und durch. Nach meinem Maschinenbaustudium mit Spezialisierung auf Feinwerktechnik, einem Studiengang, der heute unter Mechatronik fällt, habe ich mich mein ganzes Leben lang mit multidisziplinärer Elektronik und Software beschäftigt. In den ersten zehn Jahren meiner Karriere war ich in der Produktentwicklung in der Halbleiterindustrie tätig, unter anderem bei der Entwicklung von Maschinen und medizinischen Instrumenten. Nach meiner Zeit als Systemarchitekt und technischer Projektleiter wurde ich Leiter einer mechanischen Abteilung. Später wurde dieser Posten immer multidisziplinärer, mit Kombinationen zwischen Hardware, Software und Prozesstechnologie.‘

Wählen Sie, was Sie gerne tun

Als Manager begann Rood im Jahr 2000 mit einer unmöglichen Aufgabe. Er leitete nicht nur eine Abteilung mit mehr als fünfzig Mitarbeitern, sondern arbeitete auch weiterhin als Designer. Daraus ergab sich ein enormer Zeitdruck, der mit Stress und schlechtem Zeitmanagement einherging. Um diese beiden Rollen miteinander verbinden zu können, begann ich mich mit Zeitmanagement zu beschäftigen. Dann entdeckte ich Tools und Ressourcen, mit denen ich meine verfügbare Zeit intelligenter nutzen konnte. Ich setzte diese Fähigkeiten sofort ein. Am Ende gelang es mir, sowohl das Projekt gut abzuschließen als auch die Abteilung zu leiten. Dank der Fähigkeiten, die ich gelernt habe. Das Thema gefiel mir so gut, dass ich mein Wissen mit Kollegen und den Mitarbeitern, die ich leitete, teilte.

Meine letzte Rolle als F & E-Direktor bei Besi war inhaltlich sehr interessant, aber ich mochte die damit einhergehende Politik an der Spitze der Organisation nicht. Ich merkte, dass ich nach einem Tag, an dem ich Menschen trainiert oder gecoacht hatte, wie sie besser mit ihren Arbeitszeiten umgehen konnten, viel glücklicher nach Hause kam. Deshalb habe ich 2013 in Vollzeit mit meinem eigenen Coaching-Unternehmen angefangen. Jetzt habe ich die Freiheit, Aufgaben zu wählen, die mir Spaß machen, aus denen ich Energie schöpfe und die für andere wirklich von Wert sind. Dabei konzentriere ich mich hauptsächlich auf den technischen Bereich. Zurzeit arbeite ich zum Beispiel mit einem schwedischen Unternehmen auf dem Gebiet der modularen Architektur zusammen. Dabei habe ich zum Teil eine beratende Funktion und zum Teil eine Rolle als Organisationscoach, um ihr Unternehmen und ihr Produkt modularer zu gestalten und ihnen vor allem beizubringen, wie sie anders arbeiten können.‘

Konsultation Overkill

Rood hat sein Wissen und seine Erfahrung im Zeitmanagement nun in ein Training übertragen, das sich speziell an Produktentwickler in der High-Tech-Welt richtet. Die Teilnehmer lernen die Fähigkeiten, mit denen sie die Dinge, die sie selbst für wichtig halten, tatsächlich erledigen können. Seit 25 Jahren arbeite ich in Unternehmen, die Produkte entwickeln, und in dieser Zeit habe ich Unternehmen gesehen, in denen die Dinge wirklich fantastisch sind und die schönsten Dinge geschaffen werden. Es gab aber auch Unternehmen, die völlig gescheitert sind, Unternehmen, in denen unglaublich intelligente, schöne, kluge, kreative Menschen nicht zu ihrem Recht gekommen sind. Und das tut mir wirklich weh. Denn diese Misserfolge passieren in Unternehmen, die schlecht organisiert sind oder aufgrund aller möglichen externen Faktoren, und weil die Menschen unter Bedingungen arbeiten müssen, die zu viele Unterbrechungen mit sich bringen. Und diese Unterbrechungen sind völlig unnötig.‘

Aufgrund eines Overkills an Beratungen und Ablenkungen durch Mails, Apps oder andere Kommunikationsmittel haben die Menschen weder den Raum, noch die Zeit oder die Ruhe, um kreativ zu arbeiten. In seinem Training bespricht Frank diese Probleme mit den Teilnehmern und zeigt ihnen, wie sie sie lösen können.

Rood verweist auf laute Bürogärten, einen Overkill an Beratungen und Ablenkungen durch Mails, Apps oder andere Kommunikationsmittel. Diese Art der Ablenkung nimmt zu. Die Menschen haben nicht mehr den Raum, die Zeit oder die Ruhe, in der sie kreativ arbeiten können. Und ohne das geht das fantastische Potenzial all dieser brillanten Menschen verloren. Denn Kreativität gedeiht nur, wenn man wirklich Ruhe und Zeit hat, um Produkte zu schaffen. Wenn Menschen in einer stressigen Situation sind, funktioniert der präfrontale Kortex nicht mehr, sie kommen nicht auf neue Ideen. Und wenn Sie alle zehn Minuten gestört werden, können Sie nie tief in Ihr Gehirn eindringen. Dann können Sie nicht schreiben und sind nicht in der Lage, Software zu entwerfen oder zu programmieren. Deshalb coache ich diese Menschen und diese Unternehmen, damit alle ihre Entwickler in der richtigen Umgebung sind und über die Fähigkeiten verfügen, mit denen sie ihre Arbeit wirklich erledigen können.‘

Berufstätige haben oft Schwierigkeiten mit der Spannung zwischen ihrer eigentlichen Arbeit und der hohen Intensität ihres Arbeitsumfelds. Sie beschäftigen sich mehr mit den alltäglichen Problemen oder ihren E-Mails als mit ihrer eigentlichen Aufgabe. Oder es fällt ihnen schwer, zu einer Bitte eines Kollegen nein zu sagen. Es geht darum, all diese externen Impulse richtig zu steuern, damit Sie sich mit dem beschäftigen können, wofür Sie eingestellt wurden. Wenn Sie das nicht gut hinbekommen, geraten Sie in Stress und wenn es wirklich schief geht, in ein Burn-out. Sie brauchen Fähigkeiten, mit denen Sie sich abschirmen können, ohne ein Einsiedler zu werden.‘

Der Austausch von Erfahrungen mit hohem Arbeitsdruck ist ein wichtiger Teil des Zeitmanagement-Trainings.

‚Nein zu sagen ist zum Beispiel besonders schwierig, weil man glaubt, dass die Beziehung zu einem Kollegen unter einem ‚Nein‘ leidet oder dass es dann schwieriger wird, den Kollegen um einen Gefallen zu bitten. Aber diese Überzeugungen erweisen sich meist als falsch. Verwenden Sie nicht zu viele Worte, um Nein zu sagen, sondern seien Sie klar in Ihrer Botschaft. Alles beginnt damit, dass Sie sich über Ihre eigenen Ziele im Klaren sind, über das, was Sie wirklich tun wollen. Sobald Sie das wissen, können Sie viel leichter mit Impulsen aus Ihrem Umfeld umgehen.

Frank Rood ist ein Fanatiker des Zeitmanagements, da er sehr stressempfindlich ist und sich verantwortlich fühlt. Vor allem Perfektionisten und Menschen, denen es schwer fällt, Nein zu sagen, sind anfällig für Überlastung oder sogar für ein Burn-out. Ich weise alle Eigenschaften eines durchschnittlichen Auszubildenden auf und verstehe daher die Techniker, die zu diesen Schulungen kommen, sehr gut. Ich kenne ihren Job, ich verstehe ihre Arbeitsbedingungen und ich habe durch Versuch und Irrtum gelernt, damit umzugehen. In kurzer Zeit kann ich ihnen all diese Dinge beibringen.‘

Monotasking und Umgang mit Unterbrechungen

Der Schulungskurs von Rood beginnt mit einer ganztägigen Erläuterung der Theorie des Zeitmanagements, bei der die Teilnehmer auch miteinander üben können. Die theoretische Grundlage ist durchaus verständlich, das Problem liegt in der Umsetzung in die Praxis. Deshalb schauen wir uns am ersten Tag an, was eigentlich schief läuft, wo das Problem liegt und was die Leute erreichen wollen. Das Setzen von Zielen ist entscheidend. Sobald Sie Ihr Ziel erkannt haben, können Sie eine Auswahl treffen und bestimmen, welche Dinge Priorität haben und welche unnötig sind, weil sie nicht zu Ihrem Ziel beitragen. Dann werfen wir einen Blick auf die Tools und die Zeitmanagement-Matrix. Mit dieser Matrix können Sie bestimmen, was wichtig und dringend ist und wie Sie Ihre Aufgaben entsprechend sortieren können. Wir gehen auf Mono-Tasking ein, den Vorteil, nur eine Sache auf einmal zu erledigen und diese zu Ende zu bringen. Und wie man mit Unterbrechungen umgeht. Anschließend erstellen wir einen Plan, damit die Leute wirklich wissen, was sie am nächsten Tag bei der Arbeit anders machen werden. Und sie erhalten ein Hilfsmittel, das ihnen hilft, ihre Vorsätze einzuhalten: einen Buddy aus der Gruppe oder einen Kollegen, der in den folgenden Wochen bei der Einübung der Methode hilft. Denn alles ist darauf ausgerichtet, dass die Teilnehmer das Gelernte sofort umsetzen. Ich rufe sie während der Woche an, um zu hören, wie sie vorankommen.‘

Der Quadrant mit Aufgaben und Störungen, die nach Wichtigkeit und Dringlichkeit geordnet sind, ist ein einfaches Hilfsmittel, um in Ihrer verfügbaren Zeit Prioritäten zu setzen.

Nach drei Wochen findet ein weiteres halbtägiges Treffen statt, bei dem die Auszubildenden berichten, was gelungen ist und was nicht. Dieser Feedbacktag bildet die Grundlage für den Erfolg des Kurses. Weil die Kursteilnehmer wissen, dass sie am Feedback-Tag Rechenschaft ablegen müssen, machen sie sich tatsächlich an die Arbeit. Wenn wir uns wieder treffen, haben sie über einen Monat lang an neuen täglichen Gewohnheiten gearbeitet und ihr Verhalten strukturell verändert. Sie erstellen zum Beispiel jeden Morgen eine Aufgabenliste oder schalten E-Mail-Benachrichtigungen dauerhaft ab. Manche fragen mich, ob ich sie vier oder sechs Wochen nach dem Training noch einmal anrufen möchte, um sie zu bestärken. Oder sie erklären sich bereit, sich mit ihrem Kumpel zu treffen.‘

Drei Wochen später kommen die Teilnehmer für einen weiteren halben Tag zum Training zurück. Dieser halbe Tag ist die Grundlage für den Erfolg, denn die Teilnehmer fühlen sich dafür verantwortlich, sich zu engagieren. Wenn wir uns wiedersehen, haben sie einen Monat Zeit gehabt, ihre täglichen Gewohnheiten und ihr strukturelles Verhalten zu ändern“, sagt Dozent Frank Rood.

Eine bewusste Entscheidung

Auch Menschen, die auf ein Burn-out zusteuern, ein Burn-out haben oder sich gerade davon erholen, profitieren von Roods Training. Nicht zuletzt, weil er selbst auch ein Burn-out erlitten hat. Damals war er Manager in einer Abteilung, in der nach einer Umstrukturierung weniger Leute genau die gleiche Menge an Arbeit zu erledigen hatten. Ich fühlte mich schlecht wegen dieser Umstrukturierung, bei der ich eine Reihe von Leuten wegschicken musste. Alle waren überlastet und aus Verantwortungsbewusstsein gegenüber meinen Mitarbeitern habe ich schließlich versucht, sie zu retten, indem ich ihre Arbeit teilweise übernommen habe. Das ging lange Zeit gut, denn ich war stark und natürlich gut im Zeitmanagement. Mein privates Umfeld gab jedoch Alarmsignale. Zum Beispiel fragte mein Partner, ob alles in Ordnung sei, ich bemerkte, dass ich so müde war und schlecht schlief und mir alle möglichen Beschwerden einfing. Aber ich habe die Anzeichen ignoriert, denn in einem solchen Stressmodus ist man voller Adrenalin und sieht dann nicht, dass die Dinge schief laufen.‘

Rood ist im Urlaub zusammengebrochen. ‚Buchstäblich. Ich bin hingefallen und konnte nicht mehr aufstehen. Es war ziemlich schockierend für jemanden, der ein ziemlicher Kontrollfreak ist, völlig außer Kontrolle zu sein. Außerdem fühlte ich mich extrem schuldig: Ich hatte endlich Zeit mit meiner Familie verbracht und jetzt lag ich nur in meinem Zelt auf meinem eigenen…. Zum Glück war ich nach ein paar Tagen wieder auf den Beinen.‘

Nach diesem Urlaub änderte Rood seinen Kurs drastisch. Seitdem laufe ich zweimal pro Woche und das tue ich immer noch. Ich habe angefangen, viel langsamer zu machen und die Dinge leichter von mir abfallen zu lassen, ich musste nicht mehr die ganze Verantwortung übernehmen. Ich habe mich also ganz bewusst für meine Gesundheit und meine Familie entschieden. Und danach ging ich ziemlich schnell wieder arbeiten, obwohl ich von fast sechzig Stunden auf vierzig Stunden pro Woche zurückging. Und ich nahm mir zwischendurch einen Tag frei. Das hat geholfen.‘

Rood nennt den Kontrollverlust und den Körper, der die Kontrolle übernimmt, typisch für ein Burn-out. Ihr Körper versteht, dass Ihr Kopf nicht mehr damit umgehen kann und tritt einfach auf die Bremse. Der Trick ist, diese Symptome beim nächsten Mal zu erkennen, bevor Ihr Körper die Kontrolle übernimmt.

Er findet, dass er selbst sein größter Feind in dieser Hinsicht ist. Warum bin ich so fanatisch mit dem Zeitmanagement beschäftigt? Ich bin sehr stressempfindlich, fühle mich sehr verantwortlich, bin ein Perfektionist und beziehungsorientiert und kann kaum Nein sagen. Ich weise also alle Eigenschaften eines durchschnittlichen Auszubildenden auf und habe alle Fallstricke in mir. Deshalb verstehe ich die Techniker, die zu dieser Schulung kommen, auch so gut. Ich kenne ihre Arbeit, ich verstehe ihre Arbeitsbedingungen und ich habe durch Versuch und Irrtum gelernt, mit ihnen umzugehen. So können sie all diese Dinge während des Trainingskurses in kurzer Zeit lernen.

Frank Rood; ‚Misserfolge entstehen durch schlechte Organisation, verschiedene äußere Umstände und die Tatsache, dass die Menschen mit zu vielen Störungen umgehen müssen. Diese Unterbrechungen sind unnötig.‘

Zusätzlich zu diesem Kompetenztraining begleitet Rood Menschen auch auf individueller Basis als Coach. Dabei geht er auf tief sitzende Themen und Überzeugungen ein, die Hindernisse bei der Arbeit darstellen. Darüber hinaus achte ich auch auf Ernährung und Bewegung. Bei Menschen, die sich mitten in einem Burnout oder einer Krise befinden, schauen wir uns zunächst praktische Maßnahmen an: Wie kommen Sie zu mehr Schlaf? Wie sorgen Sie für sich selbst? Welche Art von Sport treiben Sie? Und was können Sie bei der Arbeit tun? Erst wenn das funktioniert, arbeiten wir an Ihren Überzeugungen. Letztlich lautet die Frage: Werden Sie am Ende Ihres Lebens das getan haben, was Sie tun wollten? Damit Sie auf dem Sterbebett nicht denken: Hätte ich doch nur mehr Zeit in meine Beziehung investiert, oder ich wünschte, ich hätte meine Kinder mehr gesehen, oder ich hätte diese Reise gemacht. Denn dann ist es zu spät. Mein größter Wunsch ist, dass die Menschen nicht in diese Situation geraten. Und dass sie zu dem Schluss kommen können, dass sie die Dinge getan haben, die sie tun wollten, Dinge, die ihrer Existenz einen Sinn geben.‘

Dieser Artikel wurde von Mathilde van Hulzen geschrieben, technische Redakteurin von High-Tech Systeme.

Mechatronics System Design Teil 1 und Teil 2 gehören zu den beliebtesten Schulungskursen in der High-Tech-Industrie. Die Kurse haben ihren Ursprung bei Philips CFT, wo die Systementwicklung in den 1980er Jahren immer komplexer wurde. Rien Koster erkannte, dass die Lösung in einer besseren Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen lag. Das ehemalige CFT-Mitglied Jan van Eijk erklärt, warum es für Top-Spezialisten gut ist, regelmäßig mit Kollegen aus anderen Disziplinen zusammenzukommen und sich mit ihnen auszutauschen.

Es ist 1986, als Rien Koster – einer der Paten der niederländischen Mechatronik – bei Philips ein ehrgeiziges Projekt startet. Seine Idee ist es, alle führenden Spezialisten aus den Bereichen Mechanik, Elektronik, Steuerungstechnik, Software und Messtechnik aus ihren Heiligtümern zu holen und sie gemeinsam an einem mechatronischen System arbeiten zu lassen. Sie taufen das Projekt Fast and Accurate 86 (FA86). Der Plan scheint eine Erfolgsgarantie zu sein, aber in der Praxis bekämpfen sich die Hauptakteure gegenseitig. Jeder von ihnen ist der Meinung, dass er die Führung übernehmen sollte.

Koster fährt fort. Und schließlich liefert FA86 den Famm-Roboter, ein zweiarmiges System mit großen Direktantriebsmotoren, wie man sie in U-Booten findet. Der Famm (schnelles und genaues Manipulatormodul) ist so stark und schnell, dass andere Roboter im Vergleich dazu verblassen. Leider ist die Lösung für die Industrie zu teuer.

Technisch gesehen war der Famm-Roboter eine erstaunliche Leistung, ein fantastisches Beispiel dafür, was man erreichen kann, wenn man alle Top-Spezialisten zusammenarbeiten lässt“, sagt Jan van Eijk. Van Eijk war viele Jahre lang das Aushängeschild der Mechatronik bei Philips. Im Jahr 2010 gründete er zusammen mit seinen ehemaligen CFT-Kollegen Adrian Rankers und Maarten Steinbuch die Mechatronics Academy, den Partner des High Tech Institute, der für die gesamte Mechatronik-Ausbildung zuständig ist.

Laut Van Eijk hat das FA86-Projekt vor allem gezeigt, wie schwierig es ist, die verschiedenen Disziplinen auf einer gleichberechtigten Basis zusammenzubringen. Ein Maschinenbauingenieur kann einen erstaunlich schönen und praktikablen Entwurf vorlegen, ohne sich darüber im Klaren zu sein, dass sein Entwurf in der Praxis niemals funktionieren wird. Die Sprache, die sein Kollege aus der Regelungstechnik verwendet, um das zu erklären – mit seinen Dezibel- und Bode-Diagrammen – ist für den Mechaniker ein Rätsel. ‚

Es mangelt oft an gegenseitigem Respekt zwischen den verschiedenen technischen Disziplinen, sagt Jan van Eijk. Der Mechatronik-Guru plädiert dafür, Spezialisten auszubilden und sie gleichzeitig darin zu schulen, effizient mit ihren Kollegen aus verwandten Bereichen zu kommunizieren. Sie können nicht alles im Detail beherrschen, aber sie müssen von allem ein bisschen verstehen, vor allem die disziplinspezifische Sprache.

Koster zeigt oft ein Diagramm, das alle Spezialisten als Dirac-Funktion darstellt, erinnert sich Van Eijk. Sie sind sehr gut in einer Sache, aber ihr Wissen ist nicht breit“, erklärt Van Eijk. Bei den Managern und Direktoren zeigte sich, dass sie breit sind, aber nicht so hoch. Im Durchschnitt waren sie etwa gleich intelligent. Wir waren auf der Suche nach Spezialisten, die etwas breiter aufgestellt sind, damit sie mit Experten aus anderen Bereichen sprechen können.‘

Philips CFT startete einen zehntägigen Kurs, um die Mauern zwischen den Fachbereichen einzureißen. Während der Schulung kamen alle relevanten Disziplinen zur Sprache und die Teilnehmer erfuhren, worüber sich ihre Kollegen Gedanken machten. Die Dozenten sprachen über ihr eigenes Fachwissen, so dass sich die Studenten an den Jargon gewöhnen konnten. Das Ziel war es, den Respekt für die Disziplinen der anderen zu erhöhen, sagt Van Eijk. Und ihre Neugier auf den anderen zu wecken. Wenn jemand aus einer anderen Abteilung fragt, warum sie so und nicht anders vorgehen, sollte das nicht zu einer feindseligen Reaktion führen. Das war in der Vergangenheit oft der Fall.‘

Alle neuen Mitarbeiter in den mechatronischen Abteilungen von Philips erhielten diese Schulung. ‚Oft haben wir die Doktoranden zuerst in Stücke gerissen‘, lacht Van Eijk. ‚Sie hielten sich für großartig und wir zeigten ihnen, was sie noch nicht wussten. Wir wollten immer noch großartige Spezialisten mit dem besten wissenschaftlichen, neuesten Wissen, aber sie mussten in der Lage sein, mit ihren Kollegen zu sprechen. Sonst war es nicht gut.‘

Entmystifizierung

Der Mechatronik-Lehrgang war ein großer Erfolg bei Philips und wird nun schon im dreißigsten Jahr und seit 2010 von der Mechatronics Academy durchgeführt. Die Mechatronics Academy bietet den Kurs unter dem Namen Mechatronics System Design (abgekürzt ‚Metron‘) über das High Tech Institute an. Da es für viele Teilnehmer schwierig ist, zwei Wochen lang der Arbeit fernzubleiben, wurde der zehntägige Kurs in zwei Sitzungen von je einer Woche aufgeteilt (Teil 1 und Teil 2).

Van Eijk ist sich über den Nutzen des Kurses Mechatronics System Design im Klaren: „Sie brauchen dafür eine Woche. Das sind etwa zwei Prozent dessen, was Sie in einem Jahr arbeiten. Und es macht Sie zehn Prozent effektiver. Das ist ein Bauchgefühl, aber in den letzten dreißig Jahren habe ich gesehen, wie es die Menschen verändert, wie es die Beziehung zu den Kollegen in einer multidisziplinären Umgebung beeinflusst. Die Menschen sind in der Lage, anders zu kommunizieren.‘

Bei Mechatronics System Design geht es um die Entmystifizierung aller Disziplinen. ‚Wenn ich einen Professor nach seinem Beruf frage, neigt er schnell dazu, mir von den neuesten Entwicklungen zu erzählen. Das geschieht in einer Sprache, die für ihn wie geschaffen ist, aber für mich völlig unverständlich ist‘, sagt Van Eijk. ‚Während der Schulung besprechen wir einen fiktiven Fall über ein Druckerkonzept von Océ. Die Schulungsteilnehmer stellen dann fest, dass sie bereits mit einer Reihe einfacher Oberschulsummen viel über die Wünsche sagen können, die Océ auf den Tisch gelegt hat.‘

Jan van Eijk: ‚Das Training dauert eine Woche und macht Sie zehn Prozent effektiver.‘

Die Dozenten aus allen Disziplinen besprechen genau, was nötig ist, um die gegenseitige Kommunikation zwischen den Spezialisten zu ermöglichen. Wir werden um eine Reihe grundlegender Werkzeuge nicht herumkommen“, sagt Van Eijk. ‚Ein Bode-Diagramm zum Beispiel. Viele Leute haben das schon einmal gesehen, aber in der Praxis kaum je verwendet. Anhand eines solchen Diagramms kann ein Steuerungsingenieur einem Maschinenbauingenieur deutlich erklären, mit welchem Problem er zu kämpfen hat. Wenn sie gemeinsam eine Lösung finden wollen, muss es also Teil ihrer gemeinsamen Sprache sein.‘

An den Grundprinzipien des Kurses hat sich in den letzten dreißig Jahren wenig geändert. Allerdings sind technische Fächer hinzugekommen, wie z.B. Thermodesign und Metrologie. Wird der Software mehr Aufmerksamkeit geschenkt, einer Disziplin, die in der Mechatronik immer wichtiger wird? ‚Nun‘, antwortet Van Eijk nachdenklich, ‚das ist etwas differenzierter. Ja, sie wird immer wichtiger, weil die Menge der verwendeten Software und der damit verbundene Aufwand zunehmen. Aber wenn wir uns die Funktionalität ansehen, ist das etwas anderes. Für High-Tech-Mechatronik brauchen Sie funktionell nur eine begrenzte Menge an Software. Natürlich sollte sie gut organisiert sein, im Hintergrund laufen, mit Ereignisbehandlung, Fehlermeldungen, Benutzeroberflächen und so weiter. Der Beitrag der funktionalen Software beträgt jedoch höchstens ein paar Prozent der Software als Ganzes.

Meistern Sie Ihren Beruf

Beim ‚Mechatronik-Systementwurf‘ geht es also um die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Disziplinen. Wird dies in den Lehrplänen der Universitäten nicht immer berücksichtigt? Die Zusammenarbeit über die Grenzen der Universitätsabteilungen hinweg ist immer noch ziemlich beiläufig“, sagt Van Eijk. ‚In der Definitionsphase und wenn entschieden wird, wer wie viel Geld für welchen Doktoranden bekommt, läuft es sehr gut. Danach zieht sich jeder in seinen eigenen Fuchsbau zurück, um seinen Teil in perfekter, herrlicher Isolation zu erfüllen. Das High Tech Systems Centre ist ein Schritt in die richtige Richtung. Vielleicht werden sich Menschen finden, die einer kooperativen Beziehung eher zugeneigt sind.

Der Kurs hat einen starken industriellen Hintergrund. Kürzlich erzählte mir ein Student, dass er auch einen Mechatronikkurs an der Universität besuchte und daher Dinge hören könnte, die er schon lange wusste“, sagt Van Eijk. ‚Dieses Risiko ist nicht so groß. Bei einem Universitätskurs widmet der Dozent seinem eigenen Fachgebiet und dessen wissenschaftlicher Tiefe große Aufmerksamkeit. Wir haben nur Lehrer aus der Industrie. Wir sagen Ihnen, wie es in der Praxis funktioniert. Und es gibt einen erheblichen Unterschied in der Gewichtung. An der Universität lernen die Studenten vielleicht eher, wie man in einem elektronischen Netzwerk rechnet und Berechnungen über Mechanik anstellt. Man lernt ein paar Fähigkeiten, die sehr nützlich sein können, aber man kann keine gute Diskussion mit einem anderen Fachmann führen. Ich bin der Überzeugung, dass wir großartige Maschinenbauingenieure, Elektronikingenieure und Steuerungsingenieure ausbilden müssen und sie zusammenarbeiten lassen müssen, um großartige Maschinen zu bauen.‘

Van Eijk ist daher sehr kritisch gegenüber der Mechatronik-Ausbildung, die von einer Reihe von höheren Berufsausbildungsprogrammen angeboten wird. ‚Wir wollen nichts mit jemandem zu tun haben, der halb Elektroniker und halb Mechaniker ist. Er wird keiner der beiden Disziplinen gerecht. Jemand, der nur die Hälfte von zwei Fächern oder, schlimmer noch, ein Sechstel von sechs Fächern beherrscht, ist für mich nicht akzeptabel. Wenn Sie einen wirklich guten Mechatroniker ausbilden wollen, brauchen Sie für jede einzelne Disziplin fünf Jahre. Alles in allem dauert es also etwa vierzig Jahre, bis er in Rente gehen kann. Das ist nicht gut. Stattdessen müssen wir ihnen beibringen, etwas gemeinsam mit mehreren Leuten zu tun. Das ist die Herausforderung. Und das lernt man nicht in einer formalen Mechatronik-Ausbildung.‘

Die größte Gefahr besteht darin, dass Sie, wenn Sie diese Ausbildung absolviert haben, denken, dass Sie alles können. Sie haben viele Dinge gesehen, aber Sie sprechen keine Sprache wirklich gut. Sie können ein komplettes mechatronisches System nicht wirklich allein auf die Beine stellen‘, sagt Van Eijk, der betont, dass ein solches Mechatronikprogramm zwar ziemlich gute Leute anziehen kann, dass es aber jedem sinnvoller erscheint, sich zunächst in seinem eigenen Bereich ausbilden zu lassen. ‚In einem Unternehmen wird ein Mechatronik-Absolvent zunächst aufgefordert werden, Fachwissen in einem bestimmten Bereich zu entwickeln. Das Gepäck, das er mit sich herumträgt, wird wahrscheinlich langfristig Früchte tragen, aber zunächst muss er mehr Wissen in Mechanik oder Elektronik erwerben. Erst dann kann er eine wertvolle Rolle in einer mechatronischen Umgebung spielen.‘

Dieser Artikel ist eine Adaption des des Interviews mit Jan van Eijk von Alexander Pil das zuvor in Mechatronics & Machinebouw erschienen ist.

Dieser Artikel stammt von Alexander Pil, technischer Redakteur von High-Tech Systeme.