Präzise Maschinen gibt es nicht ohne gutes Wärmemanagement

Veröffentlicht am: 10 Dezember 2018

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Dr. Theo Ruijl

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In den meisten Unternehmen stecken thermisches Design und Wärmemanagement noch in den Kinderschuhen“, sagt Theo Ruijl, CTO von MI-Partners und Trainer für ‚Thermische Effekte in mechatronischen Systemen‘. Ruijl sieht in dieser Tatsache ein großes Manko. Sie können keine präzise Maschine bauen, wenn Sie die thermischen Aspekte vernachlässigen.

Die größten Fehler in einer Maschine werden durch Vibrationen und Temperaturschwankungen verursacht. Wenn Sie beides nicht unter Kontrolle haben, können Sie sich von einem genauen System verabschieden. Leider sind sich nicht alle Konstrukteure dieser Tatsache bewusst. Mit einer Blattfeder können Sie ein System statisch bestimmt abstützen, aber viele Ingenieure sind sich nicht bewusst, dass eine solche Blattfeder auch ein hervorragender Wärmeisolator ist. Vielen Entwicklern fehlt es an Wissen über thermische Effekte in mechatronischen Systemen“, sagt Theo Ruijl, CTO von MI-Partners und Trainer des Kurses ‚Thermische Effekte in mechatronischen Systemen‚ (TEMS).

In der niederländischen und belgischen Hochtechnologie gibt es eine Menge Wissen über Dynamik, über gutes Design, über Dämpfung. Schließlich sind Generationen von Maschinenbauingenieuren mit den Konstruktionsprinzipien von großen Lehrern wie Rien Koster und Wim van der Hoek und dem Des Duivels Bilderbuch aufgewachsen. Aber in den meisten Unternehmen ist das Thema Wärmemanagement immer noch nicht gut abgedeckt.

Jeder Ingenieur, der ein hohes Maß an Genauigkeit erreichen will, wird früher oder später mit thermischen Effekten konfrontiert“, sagt Theo Ruijl. Ruijl beschäftigt sich seit zwei Jahrzehnten mit thermischen Effekten in mechatronischen Systemen. Temperaturschwankungen, Drift, Verlustleistung in einem Aktuator, Energieabsorption von elektromagnetischen Wellen in einer Linse oder einem Spiegel: all diese Dinge haben Auswirkungen auf die Leistung eines Systems. Natürlich können Sie sie ignorieren, und eine Zeit lang mag alles gut funktionieren. Aber wenn plötzlich ein Konkurrent auftaucht, der sich mit den thermischen Aspekten gut auskennt, wird er Sie überholen und weit hinter sich lassen.‘

Die technischen Universitäten bringen hervorragende Absolventen und Postgraduierte in Dynamik und Steuerungstechnik hervor, aber sie bilden die Studenten nicht in den thermischen Effekten in mechatronischen Systemen aus“, sagt Theo Ruijl, Trainer für thermische Effekte.

In der High-Tech-Industrie haben die Entwickler mit thermischen Verzerrungen und Ungenauigkeiten zu kämpfen. Bei ASML sind diese Herausforderungen derzeit größer als die dynamischen“, sagt Ruijl. Es wird eine enorme Menge an Licht in diese Maschinen gepumpt. Es ist unvermeidlich, dass sich der Wafer dadurch erwärmt und verformt. Wenn das schön gleichmäßig geschieht, kann man es immer noch simulieren und vorhersagen. Leider treten alle Arten von nichtlinearen Effekten auf. Dann wird die Modellierung und Kompensation sehr schwierig.

Auch Thermo Fisher beleuchtet das Thema. Ruijl: ‚Viele Nutzer von Elektronenmikroskopen kommen aus den Biowissenschaften. Sie erforschen biologische Prozesse, die sie buchstäblich einfrieren, um sie richtig studieren zu können. Das bedeutet, dass sie sie in Wasser auflösen und das Wasser auf den Gefrierpunkt abkühlen. Das Eis muss amorph sein, nicht kristallin, denn sonst können Sie unter dem Mikroskop nichts sehen. Diese Art von Struktur erhalten Sie nur, wenn Sie die Probe blitzschnell abkühlen, mit 100.000 bis einer Million Kelvin pro Sekunde. Dann muss die gefrorene Probe unter dem Mikroskop betrachtet werden. Die Vorbereitung und Positionierung stellen eine große thermische Herausforderung dar. Wie halten Sie die Probe im Hochvakuum auf der richtigen Temperatur? Und welche Auswirkungen hat das auf die empfindlichen optischen und mechatronischen Systeme um die Probe herum?‘

Der große Verlust

Die Tatsache, dass es vielen Unternehmen immer noch an fundiertem thermischen Wissen mangelt, ist größtenteils auf einen Mangel in der Ausbildung zurückzuführen. Die technischen Universitäten bringen hervorragende Absolventen und Postgraduierte in Dynamik und Steuerungstechnik hervor, aber sie lehren nicht die thermischen Effekte in mechatronischen Systemen“, sagt Ruijl entschieden. Er selbst hat bei dem TUE-Professor Piet Schellekens studiert. ‚Seit Piet Schellekens vor fünfzehn Jahren in den Ruhestand gegangen ist, wurden thermisches Design und Messtechnik vernachlässigt. Niemand hat diese Themen ernst genommen, nicht einmal in Delft oder Twente. Das ist ein großer Verlust. Es gibt so viele grundlegende Herausforderungen in diesem Bereich. Dafür bräuchte man wirklich einen engagierten Vollzeitprofessor.‘

Mit Hans Vermeulen gibt es seit ein paar Jahren einen Teilzeitprofessor an der Technischen Universität Eindhoven, der das Thema auf die Tagesordnung gesetzt hat. Für seine Gruppe Mechatronic Systems Design ist die fortschrittliche Wärmekontrolle jedoch nur eines von vielen Themen. Ein großer Teil des Stammpersonals von Schellekens hat ihn inzwischen verlassen. In Deutschland ist das Thema mehr auf der Karte“, sagt Ruijl. Es gibt einen großen Markt für Werkzeugmaschinen, bei denen thermische Effekte eine große Rolle spielen. Die deutschen Werkzeugmaschinenbauer und Wissenseinrichtungen verstehen sich in diesem Punkt gut. Sie führen verschiedene Forschungsprojekte an den Fraunhofer-Instituten durch. TEMS-Forschungsprogramme laufen auch in der Schweiz und in Spanien.‘

Recycling

Trotz der Lücke in der universitären Ausbildung gibt es eine ganze Reihe von Thermalspezialisten in der Branche. Sie sind alle Selfmademen, die das Handwerk in der Praxis gelernt haben. Für Ruijl begann dieser Prozess bei Philips vor fast zwanzig Jahren. Wir wissen schon seit langem genau, wie wir Dynamik und Steuerungstechnik modellieren und in Maschinen integrieren können. In einem typischen Designprozess sitzen verschiedene Spezialisten am Tisch, so dass Sie eine Maschine mit Input aus allen Disziplinen entwickeln können. Früher kam es bei Philips manchmal vor, dass jemand am Ende eines solchen Prozesses mit einer komplizierten Finite-Elemente-Summe feststellte, dass sie thermisch nicht funktionierte. Deshalb haben wir begonnen, eine Kompetenz auf diesem Gebiet zu entwickeln, mit Schwerpunkt auf mechatronischen Systemen.‘

Um thermische Effekte zu berechnen, verwenden Ingenieure mathematische Techniken aus der Dynamik. Dies führte zu dem Konzept der thermischen Modenformen.

Von Anfang an entdeckten die Spezialisten, dass die Techniken, die sie bereits in der Dynamik angewendet haben, auch im thermischen Bereich eingesetzt werden können. In der Dynamik und der Regelungstechnik verwenden wir Zustandsraummodelle, und deren Eigenfrequenzen und Modenformen sind wichtige Größen“, erklärt Ruijl. Ein solches Modell ist nichts anderes als ein Satz von Differentialgleichungen. Auch thermische Effekte werden mit Differentialgleichungen beschrieben. Und für die Mathematik spielt es keine Rolle, ob Sie ein mechanisch-dynamisches oder ein thermisch-dynamisches System durchlaufen.‘

Es ist nicht genau dasselbe. Im thermischen Bereich gibt es keine Objekte, die sich wie ein Masse-Feder-System verhalten. Die Temperatur schießt nicht über das Ziel hinaus, sondern geht allmählich zurück, wie bei einem System erster Ordnung. Wenn Sie eine Metallplatte in der Mitte aufheizen, kühlt sie ab, sobald Sie die Wärmequelle entfernen. Aber sie wird nie kälter als die Umgebung. Die Temperaturverteilung als Funktion der Zeit kann perfekt modelliert werden.

Ruijl und seine Kollegen haben die mathematischen Techniken aus der Dynamik wiederverwendet. Wir verwenden nach wie vor Tools von Ansys oder Mathworks, um die Berechnungen durchzuführen. Die Analysen der mechanischen Schwingungsformen sind in diesen Paketen schon lange enthalten. Die thermischen Formen sind es nicht, obwohl die Technologie bereits vorhanden ist. Als wir vor etwa zwanzig Jahren anfingen, fragten wir Ansys, ob sie uns Zugang zu dieser Funktion geben könnten. Es hat lange gedauert, aber jetzt haben sie eine Schaltfläche dafür eingebaut. Das zeigt, dass es ziemlich einzigartig ist, wie wir hier in den Niederlanden thermische Effekte aus der Sicht des mechatronischen Designs betrachten. Das ist wirklich anders als ein rein physikalischer Ansatz, der oft thermodynamische Prozesse einbezieht. Wir verbinden thermische Effekte mit mechatronischen Systemen.‘

Bewusst inkompetent

Um das Thema in der Arbeitsweise seiner Mitarbeiter zu verankern, hat Philips einen speziellen Schulungskurs entwickelt: Thermische Effekte in mechatronischen Systemen. Der dreitägige Kurs ist inzwischen bei der Mechatronics Academy angesiedelt und wird vom High Tech Institute vermarktet. Neben Rob van Gils (Philips), Marco Koevoets (ASML) und Jack van der Sanden (ASML) ist Theo Ruijl einer der Trainer.

Natürlich kann man in nur drei Tagen nicht alle Themen abdecken“, räumt Ruijl ein. Dafür ist das Publikum zu breit gefächert. Es kommen Menschen mit unterschiedlichem technischem Hintergrund zu den Kursen. Einige haben noch nie etwas mit TEMS gemacht, andere sind bereits sehr erfahren. Einige sind Ingenieure, andere sind Steuerungsingenieure.‘

Die niederländischen Spezialisten betrachten die thermischen Auswirkungen mit einem mechatronischen Designansatz. Das ist einzigartig in der Welt. Für Ruijl begann das vor Jahren mit seiner Doktorarbeit, die von Jan van Eijk und Piet Schellekens betreut wurde.

Am ersten Tag erhalten die Studenten eine Einführung in den physikalischen Hintergrund. Wärmeübertragung als Strahlung, Leitung, Konvektion“, fasst Ruijl zusammen. ‚Wie geht man damit um? Viele Fakten, Tipps und Tricks. Dann gehen wir tiefer und führen Simulationen mit Matlab und Simulink durch. Dann ist das Fundament gelegt. Das Ziel ist, dass danach alle die gleiche Sprache sprechen.

Tag zwei befasst sich mit Messtechniken. Das Messen der Temperatur ist eine Kunst für sich“, betont Ruijl. Auf jeden Fall gibt es viele verschiedene Sensortypen. Aber wie misst man genau? Und wo? Und messe ich die Temperatur des Objekts selbst oder die der Lampe, die darauf scheint? Zusammen mit Jack habe ich einmal ein System entwickelt, um die Wassertemperatur präzise zu kontrollieren. Mit einer kleinen Spule im Strom konnten wir das Wasser sehr schnell und sehr genau erwärmen. Dann haben wir eine schöne Anlage für eine Ausstellung gebaut, mit schönen Plexiglasröhren, damit man alles sehr gut sehen konnte. Leider ist es uns nicht mehr gelungen, die Temperatur stabil zu halten. Wir müssen etwas falsch gemacht haben, aber was? Es war so schlimm, dass die Temperatur schwankte, als die Leute kamen. Schließlich hatte die Deckenbeleuchtung in der Halle den Sensor durch Strahlung durch das transparente Plexiglas beeinflusst. So einen Fehler macht man nur einmal‘, lacht Ruijl.

Die Studenten werden auch selbst modellieren. Mit Matlab, obwohl dieses Tool keine spezielle Toolbox für thermische Effekte hat. Wir beschäftigen uns auch mit einem kryogenen Beispiel als praktischem Fall“, sagt Ruijl. Wie messen Sie zum Beispiel 77 Kelvin? Welche Materialien können Sie am besten verwenden? Kryogenik ist wichtig für wissenschaftliche Experimente und für die Erbauer von Elektronenmikroskopen.‘

Was ist die Lehre für die TEMS-Studenten? ‚Das Wichtigste ist, dass sie die Sprache verstehen‘, antwortet Ruijl. Wir machen sie auch auf die Themen aufmerksam, die sie beachten müssen und die sie berücksichtigen müssen. Bewusst inkompetent. Das ist sehr wertvoll, denn Hersteller mit diesem Wissen können Fehler frühzeitig erkennen, indem sie sich das Projekt noch einmal ansehen oder einen Spezialisten hinzuziehen. Zu jeder Designgruppe sollte immer ein Thermalspezialist gehören.‘

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