Die Magie der Feinmechanik

Veröffentlicht am: 11 März 2025

Experte:

ir. Erik Manders

Trainer

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Erik Manders und Marc Vermeulen übernehmen eine führende Rolle bei der Schulung „Design Principles for Precision Engineering“ (DPPE). Das Duo tritt die Nachfolge von Huub Janssen an, der sieben Jahre lang die Leitung innehatte. Teil eins einer zweiteiligen Serie: Trends bei Konstruktionsprinzipien.

Präzisionstechnologie ist kein feststehendes Konzept; dieser Werkzeugkasten für High-Tech-Ingenieure entwickelt sich mit der Zeit weiter. Um einen Einblick in dieses Thema zu erhalten, hat das High Tech Systems Magazin Huub Janssen, Erik Manders, Adrian Rankers und Marc Vermeulen zu einem Gespräch über die Welt der Präzision, die sich ändernden Trends und Anforderungen in der Hochtechnologie und die Arbeit in diesem Bereich eingeladen. Im zweiten Teil werden wir uns mit den Auswirkungen auf die Schulung Design Principles for Precision Engineering (DPPE) beschäftigen.

Wie Janssen sind auch Manders und Vermeulen seit Jahrzehnten in der High-Tech-Branche tätig, auch wenn sich ihre Aufgaben und Interessen unterscheiden. Janssen ist Inhaber eines Hightech-Ingenieurbüros und war sieben Jahre lang die Galionsfigur der DPPE-Ausbildung. Das neue Duo, das die allgemeine Richtung vorgibt, arbeitet jetzt bei ASML, Manders als Principal Systems Architect für Mechatronik und Vermeulen als Principal Mechanical System Architect. Adrian Rankers, der zuvor als Leiter der Mechatronik-Forschung bei Philips CFT tätig war, ist jetzt Partner bei der Mechatronics Academy (MA) und verantwortlich für die DPPE-Ausbildung, die MA über das High Tech Institute anbietet.

„Vor dreißig Jahren war die Positionierung mit dem Mikrometer ein Feld von einem anderen Planeten“, sagte Janssen 2019, als er das Gesicht des DPPE wurde. Als er Mitte der achtziger Jahre seinen Abschluss machte, arbeiteten die Designer noch mit Mikrometern. „Im Laufe der Jahre hat sich das zu Nanometern verlagert“, stellt er heute fest.

Seit Anfang der neunziger Jahre entwickelt er mit seinem Unternehmen JPE mechatronische Module für Hightech, wissenschaftliche Instrumente für die Forschung und neuerdings auch Systeme für Quantencomputer. „Wenn Sie jetzt mit diesen Physikern sprechen, reden sie über Pikometer, ohne mit der Wimper zu zucken. Für mich fühlt sich das fast philosophisch an.“

Erik Manders und Marc Vermeulen sind seit Jahren als Trainer an der Schulung Design Principles for Precision Engineering beteiligt. Das Training wurde ursprünglich am Philips Center for Manufacturing Technology (CFT) entwickelt, wo beide ihre Karriere begannen. Vermeulen gehört seit mehreren Jahren zu einer Gruppe von DPPE-Trainern an der Mechatronics Academy. Manders unterrichtete den Kurs viele Jahre lang zusammen mit Herman Soemers bei Philips Engineering Services, bis die Mechatronikgruppe dieser Aktivität 2023 an ASML übertragen wurde.

Nicht gerade einfach

Das Konzept der Präzisionstechnologie ist schwer zu definieren. Es ist ein Werkzeugkasten, der Designern einen großen Spielraum für Kreativität bietet. Geben Sie zehn Designern dasselbe Problem und Sie erhalten unterschiedliche Lösungen, die sich sowohl in der Richtung als auch im Detail unterscheiden. Der Designansatz ist je nach Anwendung sehr unterschiedlich, unterliegt aber auch Trends und veränderten Anforderungen. In ein paar Jahren mögen sich die Anforderungen und Ansätze kaum ändern, aber in zehn Jahren können die Entwürfe und die Methoden, mit denen sie umgesetzt werden, ganz anders aussehen.

Interferometer-Aufhängung

Es gibt keinen heiligen Gral oder allgemeingültige Designregeln in der Präzisionstechnologie. Die besten Praktiken unterscheiden sich je nach Markt, System oder Anwendung. Huub Janssen stellte dies fest, als er frisch von der Schule zu ASML kam. „Zuerst lernte ich von Wim van der Hoek, wie man etwas statisch bestimmt baut“, sagt er. „Aber bei ASML stellte ich fest, dass dieser Ansatz nicht immer funktionierte. Für den PAS2500 Wafer Stepper entwickelten wir zunächst eine neue Interferometeraufhängung, um die Position des Tisches in x- und y-Richtung zu messen. Diese Konstruktion folgte den Prinzipien von Van der Hoek, mit elastischen Elementen und so weiter. Aber als wir es testeten, stellten wir fest, dass es keine Dämpfung gab. Es ist reproduzierbar, aber alles schwingt weiter. Es war eine Katastrophe. Ich habe gelernt, dass man bestimmte Konstruktionsprinzipien von Van der Hoek nicht einfach überall anwenden kann; man muss wissen, wann man sie einsetzen muss.“

Steigende Anforderungen

Die ständig steigenden Anforderungen an die Präzision beeinflussen die Designentscheidungen stark. Vermeulen erklärt: „Mit zunehmender Genauigkeit steigt auch die Komplexität. Jedes Mal müssen Sie das Problem ein wenig weiter entschlüsseln. Sie stoßen immer wieder auf neue physikalische Phänomene, die vorher keine Rolle spielten, jetzt aber Auswirkungen haben. Sie müssen dann zum Kern vordringen: Was passiert hier physikalisch?“

Vermeulen nennt als Beispiel die Anwendung der passiven Dämpfung auf der Kurzhub-Waferstufe von lithografischen Scannern. Das war eine ziemliche Hürde, die wir 2015 nehmen mussten, denn was Sie entwerfen, muss vorhersehbar sein. Wenn Sie in Bezug auf Steifigkeit und Masse denken, ist das immer noch möglich. Aber am Anfang wussten wir nicht, wie sich ein Dämpfer verhalten würde.

Würde es altern? Kriechen? Wir mussten das vollständig verstehen. Das bedeutete, dass wir modellieren mussten, wie die Dämpfung die Dynamik beeinflusst. Das gelang uns zunächst nicht, aber als wir es schließlich richtig verstanden, konnten wir die Messungen und das Modell abgleichen. Erst als wir einigermaßen sicher waren, dass wir es verstanden hatten, konnten wir den nächsten Schritt machen. Wenn Sie das nicht richtig machen, bleibt es bei Vermutungen, Sie können das Verhalten nicht gut vorhersagen und werden später überrascht sein.‘

Ein weiteres Beispiel sind Probleme, die bei der Steigerung der Produktivität auftreten können. Besonders bei wassergekühlten Komponenten ist es eine Herausforderung, diese unter Kontrolle zu halten. Jeder kennt das Platzen der Wasserleitung, wenn man schnell einen Wasserhahn zudreht. In gleicher Weise erzeugt die Beschleunigung Druckwellen in Systemen mit Wasserkühlung. Sie müssen diese Wellen dämpfen, denn Druckimpulse verursachen Verformungen“, sagt Vermeulen, „Sie müssen verstehen, wie das funktioniert.

Manders fügt hinzu: „Auf einer Mikrometerskala würden Sie dies nicht bemerken, aber auf einer Nanometerskala verformt sich sogar ein Glasblock, wenn sich der Druck ändert. Das ist ein physikalisches Problem auf Systemebene.“

Einfachheit

Der wichtigste Ansatz ist das Streben nach Einfachheit. Dies führt zu robusten und kostengünstigen Konstruktionen. Aber es gibt noch einen weiteren wichtigen Grund, die Dinge einfach zu halten. Wenn eine gewählte Lösung erst einmal in ein Produkt eingebettet ist, können Designer, die darauf aufbauen, dieses Teilsystem nicht mehr so schnell ändern. „Wenn Sie sich für Komplexität entscheiden, können Sie sie nie wieder entfernen“, fasst Rankers zusammen. „Wenn Sie die Einfachheit nicht von Anfang an durchsetzen, werden Sie immer wieder damit kämpfen müssen. Es wird immer wieder an Ihnen nagen.“

Janssen: „Wenn es funktioniert, traut sich niemand, es anzutasten. Wenn Sie Reserven einbauen, wird später niemand vorschlagen, sie zu entfernen. Denn jeder wird erwidern: ‚Sind Sie sicher, dass es dann noch funktioniert? Sie können sich denken, wie das Ergebnis aussehen wird.'“

Vermeulen: „Genau. Niemand wagt es, zurück zu gehen. Man beginnt mit einem Entwurf, baut einen Prüfstand auf und wenn er sich mehr oder weniger bewährt hat, geht man damit weiter.“

Manders: „Sie müssen komplexe Anpassungen oder Kalibrierungen vermeiden, denn sie werden nie verschwinden. Das Projektteam, das danach kommt, wird sagen: ‚Wir werden das einfach kopieren, weil es funktioniert. Wir werden es genauso machen.'“

Das sind schwierige Entscheidungen, sagt Janssen. Die Wahl des Designs kann sehr unterschiedlich sein und hängt von der Anwendung und dem Markt ab. „Bei Halbleiteranlagen wollen Sie alles hundertmal neu berechnen, bevor Sie die Maschine bauen. Die Konstrukteure können eine gewisse Reserve einbauen, damit die Konstruktion funktioniert. Aber kleine Margen in verschiedenen Budgets machen eine Lösung manchmal unmöglich oder übermäßig kompliziert. Manchmal müssen Sie wirklich alle Register ziehen, um das letzte bisschen Präzision zu erreichen. Aber wenn man es einmal geschafft hat, kann man nicht mehr zurück.

In seinem Unternehmen JPE ermutigt Janssen seine Designer dazu, manchmal mehr Risiken einzugehen. „Das kann oft billiger sein. Etwas Dünneres und etwas weniger Steifes kann schneller und billiger fertiggestellt werden. Aber man muss sich wirklich trauen, es zu tun.“

Manders: „Aber manchmal kostet Reserve fast nichts. Durch kluges Design kann Genauigkeit oft ohne viele zusätzliche Fertigungsschritte erreicht werden. Zum Beispiel, indem Sie klugerweise prüfen, ob Sie mehrere Oberflächen in einer Aufspannung fräsen und die Vorteile der heutigen hochpräzisen Fräsmaschinen nutzen können. In jedem Fall ist es wichtig, ein Gefühl dafür zu entwickeln.“

Systemarchitekt

Manders begann bei Philips CFT als Designer. In den letzten Jahren hatte er eine eher betreuende Funktion als Systemarchitekt in der Mechatronikabteilung von Philips Engineering Services, die 2023 zu ASML überging, und arbeitete mit einem Team von etwa hundert Kollegen und Technikern bei Zulieferern zusammen. „Ja, dann sind Sie in einer Menge von Bewertungen.“

Er sieht seine Rolle darin, „den Überblick zwischen den Disziplinen zu behalten“. „Ich versuche, der Kitt zwischen den Ziegeln zu sein. Am Ende muss es funktionieren. Das ist das Spiel.“

Zwanzig Bälle

Janssen entschied sich schon früh in seiner Karriere, sein eigenes Unternehmen zu gründen, Janssen Precision Engineering, später JPE. Manders und Vermeulen hingegen arbeiten in einem größeren Unternehmen, wo sie sich mit vielen Kollegen und Lieferanten abstimmen müssen. „Ich muss zwanzig Bälle mit anspruchsvoller Technik in der Luft halten“, beschreibt Janssen, der seinen Job auch als Hobby betrachtet. „Gleichzeitig muss ich darauf achten, was der Markt braucht. Wir sind kein großes Unternehmen, aber wir haben weltweit einen großen Einfluss.“

Wie ist es in einem viel größeren Unternehmen wie ASML? Vermeulen sagt: „Jemand, der gerade erst angefangen hat, wird an einem sehr kleinen Teil arbeiten. Die Herausforderung besteht darin, ihm zu helfen, zu verstehen, wie sein Beitrag in das Gesamtbild passt.“

Manders fügt hinzu: „Tausende von Menschen arbeiten an unseren Maschinen. Als Neuling kann man das nicht sofort begreifen. Die Komplexität ist überwältigend.“

Die Gründer von ASML, so Manders, hatten den Vorteil, dass sie mit einfacheren Geräten anfingen. „Sie konnten diese besser verstehen, und das war ihr Ankerpunkt, als die Maschinen komplexer wurden. Leute, die später einsteigen, können nicht sofort das ganze Bild sehen. Menschen, die erst anfangen zu arbeiten, können zunächst den Wald vor lauter Bäumen nicht sehen. Sie müssen erst hineinwachsen und mit der Zeit die Zusammenhänge entdecken.“

Dirigent

In einem so großen Team hat jeder seine Rolle. „Was die Servologen und Strömungsdynamiker in meinem Team berechnen, könnte ich selbst nicht tun“, sagt Manders, der sich eher als Dirigent sieht. „Ich versuche, weniger erfahrenen Kollegen die Richtung vorzugeben und ein Gefühl für den Kontext zu vermitteln. Warum tun wir das? Wohin gehen wir? Sie versuchen, das Team zusammenspielen zu lassen und etwas Schönes zu schaffen. Aber ein gutes Orchester spielt im Wesentlichen alleine.“

Rankers fügt hinzu: „Alleine können Sie diese komplexen Module nicht bewältigen. Es ist wie bei einer Fußballmannschaft. Der Trainer schießt auch keine Tore.“

Vermeulen erkennt dies an. „Ich bin für die Technologie verantwortlich, aber auch dafür, wie wir zusammenarbeiten. Das macht wahrscheinlich die Hälfte meiner Zeit aus: die Führung. Sie haben Einfluss darauf, wie das Team zusammenarbeitet. Als Systemarchitekt bringen Sie alles zusammen und geben die Richtung vor. Sie fragen Ihre Experten, was aus ihrer Sicht die beste Lösung ist, und das führt zu einem ausgewogenen Design. Es können hundert oder hundertfünfzig Leute in einem Team sein, aber wie sie zusammenarbeiten, ist entscheidend.“

Große Projekte

Manders bedauert, dass er nicht mehr selbst konstruiert, aber er findet seine jetzige Rolle genauso herausfordernd. „Jetzt konzentriere ich mich mehr darauf, alles im Gleichgewicht zu halten und bei großen Projekten Systementscheidungen zu treffen.“

Vermeulen bezieht sich auf diese Rolle als Trainer. „Es geht darum, herauszuzoomen und hineinzuzoomen. Das große Ganze im Auge zu behalten.“

Manders erklärt: „Viele Einzelgespräche, neben den Kollegen hocken, Brainstorming, wo wir hinmüssen. Manchmal muss man herauszoomen und feststellen, dass man auf dem falschen Weg ist. Die Herangehensweise muss sich völlig ändern.“

Manders bezeichnet dies als „den Charme des Designs“. „All die Überlegungen, die Sie mit Ihrem Team anstellen, führen zu etwas Schönem, wenn es richtig gemacht wird. Es ist aufregend, das von der Seite als Architekt wachsen zu sehen. Manchmal kommen die Leute an der Kaffeemaschine auf sehr überraschende Ideen. Der Prozess der Gestaltung eines Designs ist magisch. Sie können die komplexeren Module einfach nicht alleine entwerfen.“

Vermeulen fügt hinzu: „Eins plus eins ist gleich drei. Eine Person sagt etwas, was bei einer anderen Person eine Idee auslöst. Einem Dritten fällt dann etwas Überraschendes ein, und so weiter.“

Janssen schlussfolgert: „Aber letztendlich muss sich jemand für eine Richtung entscheiden.“

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