„Der thermische Frequenzbereich eröffnet eine neue Art des Denkens“

Für Nobleo Technology gehen Präzision und Innovation Hand in Hand. Der Designer Rik Houwers vertiefte kürzlich sein Fachwissen durch den Kurs ‚Thermische Effekte in mechatronischen Systemen‚. Er gewann neue Erkenntnisse darüber, wie Temperaturschwankungen hochpräzise Maschinen beeinflussen und wie die Modellierung im Frequenzbereich zu intelligenteren, stabileren Designs führen kann.

„Etwas zu bauen, das man selbst entworfen hat, macht immer Spaß“, sagt Rik Houwers, Designer bei Nobleo, „weil man direktes Feedback bekommt. Leider ist das nicht immer möglich.“ Er studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Delft und spezialisierte sich auf Biomechanik und Feinmechanik. Er wurde bei Nobleo eingeführt, wo er nun seit neun Jahren arbeitet. Seine Arbeit besteht hauptsächlich aus dem mechanischen Design und der Analyse von mechatronischen Systemen und Messmaschinen.

Aufgrund des multidisziplinären Charakters der Mechatronik ist das Team unverzichtbar. „Wir arbeiten mit Experten aus verschiedenen Bereichen zusammen: Mechanik, Elektronik, Steuerung, Software, Einkauf und manchmal auch Thermik oder Optik. Das Verständnis der Grundlagen der jeweils anderen Disziplinen ermöglicht eine effektive Kommunikation, und das macht den Unterschied aus. Außerdem entstehen die besten innovativen Ideen oft an der Grenze zwischen den verschiedenen Disziplinen.“

Eine Nische mit großer Wirkung

Houwers hat kürzlich den Kurs‚Thermische Effekte in mechatronischen Systemen‚ besucht, der von der Mechatronics Academy über das High Tech Institute angeboten wird. Bei einem früheren Projekt hatte er aus erster Hand erfahren, wie sich Temperaturschwankungen auf die Messgenauigkeit auswirken können. „Bei der Maschine, an der ich arbeitete, erwiesen sich thermische Störungen als Hauptursache für Messabweichungen. Seitdem wollte ich diese Mechanismen besser verstehen.“

Der technische Direktor von Nobleo, Frank Sperling, hatte Houwers bereits zuvor auf Kurse am High Tech Institute hingewiesen. Houwers hatte zuvor Kurse wie ‚Passive Dämpfung für High-Tech-Systeme‚ und ‚Angewandte Optik‚ besucht. Das Wissen aus diesen beiden Kursen konnte bereits in Kundenprojekten angewendet werden. Seiner Meinung nach passt diese neue Schulung perfekt zu ihnen. „Mit diesem Werkzeug in meinem Werkzeugkasten habe ich noch mehr Möglichkeiten, kreative und intelligente Designs für unsere Kunden zu entwickeln.“

Houwers zeigt einen Biegemechanismus, ein Testmuster mit viskosem Dämpfungsgummi, das problematische Vibrationen dämpfen sollte

Die Schulung wird für Mechatronik-Designer empfohlen, die sich auf hochpräzise Anwendungen konzentrieren. „Sobald Sie für Genauigkeiten von mehr als zehn Mikrometern entwerfen, können Sie thermische Effekte in der Regel nicht mehr ignorieren.“ Laut Houwers ist das in der Praxis ziemlich genau, aber keine Ausnahme. „Als Referenz müssen die Maschinen bei ASML eine Präzision im Nanometerbereich erreichen.“

Der Kurs passte gut zu seinem Hintergrund in Dynamik. „Das Niveau war genau richtig. Die Dozenten, darunter Theo Ruijl von MI-Partners, erklärten die Theorie klar und verknüpften sie immer mit realen industriellen Beispielen.“

Thermische Effekte verstehen

Der dreitägige Kurs bot eine klare Struktur. Der erste Tag konzentrierte sich auf die Grundlagen der Wärmeübertragung und der thermischen Physik. Am zweiten Tag ging es um Temperaturmessung und praktische Beispiele, und am dritten Tag wurde die Temperaturkontrolle in Systemen behandelt. „Thermische Systeme scheinen einfacher zu sein als dynamische Systeme, weil es bei ihnen keine Resonanzen gibt“, erklärt Houwers. „Aber wenn Sie den Regler falsch einstellen, können Sie trotzdem ein instabiles System erhalten. Mit ein paar einfachen Designregeln können Sie das verhindern.“

Das Tempo war hoch und nicht alle Aufgaben konnten in der zur Verfügung stehenden Zeit vollständig erledigt werden, aber das störte Houwers nicht. Schließlich war es das Ziel des Kurses, in drei Tagen so viel Wissen wie möglich aufzunehmen, und das wurde erreicht.

Obwohl er keine direkte Anwendung für das erworbene Wissen hat, sieht Houwers einen klaren Nutzen darin. „Bei Nobleo arbeiten wir ständig an hochmodernen Systemen. Früher oder später werden diese thermischen Fragen auftauchen. Wenn das der Fall ist, ist es großartig, die Physik dahinter zu verstehen.“

Denken in Frequenzen

Die wertvollste Erkenntnis, die Houwers aus dem Kurs gewonnen hat, stammt aus dem Frequenzbereich-Ansatz für thermische Probleme. „Temperaturschwankungen haben jeweils ihre eigene Frequenz. Der Tag-Nacht-Zyklus ändert sich langsam, die Klimaanlage schaltet sich vielleicht jede halbe Stunde ein und aus, und vorbeigehende Menschen verursachen Luftverschiebungen, die über Minuten hinweg variieren.“

Wie stark sich diese Schwankungen auf die Genauigkeit einer Maschine auswirken, hängt von der Prozessfrequenz ab und davon, wie schnell die verschiedenen Komponenten auf Temperaturänderungen reagieren. Schwere, massive Komponenten erwärmen sich beispielsweise langsamer als leichtere Teile, und Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit bewirken, dass die Erwärmung langsam und ungleichmäßig erfolgt. Infolgedessen führt eine Erwärmung mit bestimmten Frequenzen oft zu einer nicht synchronisierten Erwärmung, bei der sich ein Teil ausdehnt, während das andere noch kalt ist. Dies führt zu Verformungen und Messabweichungen. Durch die Modellierung des Systems im Frequenzbereich erhalten die Ingenieure einen Einblick, welche Temperaturstörungen für die erforderliche Präzision von Bedeutung sind.

Houwers zufolge ist diese Denkweise bemerkenswert leistungsfähig. „Sie können vorhersagen, wie sich die Wärme in einer Maschine ausbreitet, wie schnell die Teile reagieren und wie sich das auf die Positionierung auswirkt. Dies ist die Grundlage für die Wahl des Materials, der Konstruktion und der Steuerungsstrategie.“

Bei Nobleo Technology dreht sich alles um Hightech-Innovation im weitesten Sinne. Das in Eindhoven ansässige Unternehmen ist in vier sich ergänzenden Bereichen tätig: Autonome Systeme, Intelligenz, eingebettete & elektronische und mechatronische Systeme. Der erste Bereich konzentriert sich auf autonome Fahrzeuge und Roboter, während Intelligence intelligente Algorithmen entwickelt, zum Beispiel für Bilderkennung und Qualitätskontrolle. Embedded & Electronics unterstützt die Entwicklung intelligenter Systeme durch den Entwurf und die Integration von Hardware, Elektronik und eingebetteter Software, die eine präzise Steuerung und intelligente Entscheidungsfindung ermöglichen. Im Bereich Systeme liegt der Schwerpunkt auf Präzision, Geschwindigkeit und berechenbaren Systemen für die Industrie, von komplexen Chipmaschinen bis hin zu Obstsortiermaschinen. In dieser Hinsicht passt die Ausbildung sehr gut zu Houwers‘ Karriereweg in der Mechatronik bei Nobleo.

Dieser Artikel wurde von Marleen Dolman, freie Mitarbeiterin bei High Tech Systems, geschrieben..