Maand: april 2019

Vacuüm lijkt eenvoudig: je pompt de lucht eruit totdat je de gewenste lage druk hebt bereikt. Voor een hoog vacuüm is het echter niet genoeg om alleen de lucht eruit te pompen. Om dit te bereiken, moet je extreme maatregelen nemen. Voor veel ingenieurs komt dit onderwerp echter niet altijd vanzelf. High Tech Institute leert hen de kneepjes van het vak.

Processen in de hightech industrie vereisen steeds meer een zeer gecontroleerde omgeving. Denk maar aan de elektronenmicroscopen van Thermo Fisher of de EUV-systemen van ASML. Als je lucht in hun systemen brengt, worden de elektronenbundels verstrooid en wordt het EUV-licht geabsorbeerd. Daarom is een hoog vacuüm een absolute noodzaak. Vervuiling is ook een productkiller bij de productie van beeldschermen. Elke hoeveelheid vocht in de lucht zou rampzalig blijken te zijn voor OLED-materialen en het beeldscherm zou een totaal verlies zijn.

De lat komt steeds hoger te liggen. “Zolang ik me kan herinneren, mag de druk in elektronenmicroscopen niet hoger zijn dan 10-10 mbar,” zegt Mark Meuwese, vacuümspecialist bij Settels Savenije Van Amelsvoort. “Maar ook in andere toepassingen worden de eisen steeds strenger. Zo konden zachte röntgensystemen vroeger toe met 10-3 mbar. Tegenwoordig is 10-7 de nieuwe standaard. Met toenemende nauwkeurigheden komen gevoeligere sensoren die gevoeliger zijn voor vervuiling of verstoring door de aanwezige atmosfeer.”

Mark Meuwese is betrokken bij de 4-daagse training ‘Grondbeginselen en ontwerpprincipes voor ultrazuiver vacuüm‘.

“Hoe voller je je vacuümsysteem bouwt, hoe groter de kans op vervuiling”, zegt Mark Meuwese van Settels Savenije Van Amelsvoort. Tot 10-8 mbar is het allemaal relatief eenvoudig, weet Meuwese. “Natuurlijk moet je nog steeds hard werken, maar als je nog verder wilt gaan, nemen de uitdagingen exponentieel toe en wordt het systeem vele malen duurder. Een watermolecuul is een dipool en blijft daarom aan oppervlakken plakken. Je kunt het beter wegpompen als je er genoeg energie in stopt. De eenvoudigste methode hiervoor is om de vacuümkamer te verwarmen. Maar door een temperatuurverdeling te creëren, introduceer je het risico dat de verdampte elementen zich afzetten op koude oppervlakken, in het ergste geval op de sensor, de monsters of het product. Bovendien zijn veel sensorsystemen niet bestand tegen hoge temperaturen. 10-8 mbar is de grens waarbij alles goed gaat.”

Meuwese verwacht niet dat het grootste deel van de toepassingen in de nabije toekomst lagere drukken nodig zal hebben. De eisen kunnen strenger worden voor gespecialiseerd onderzoekswerk. “De grens ligt bij 10-12 – 10-13, schat ik. En daarvoor kun je nauwelijks een machine bouwen. Alles wat je in de vacuümkamer introduceert is te veel. Het vat en de druksensor zijn al te vervuilend, en zelfs de meest geavanceerde pomp lekt te veel terug in het systeem.”

Vingerafdruk

In de basis is vacuümtechnologie eenvoudig. Het begint met een vat waarop je een pomp aansluit. Je blijft lucht wegpompen tot de druk het gewenste niveau bereikt. In de praktijk heb je weinig aan zo’n systeem. In dat vacuüm wil je immers processen uitvoeren. Alles moet dus in het vat zitten. Sterker nog: je wilt vaak dat de ruimte waarin je werkt vol zit met mechanica, sensoren en andere componenten. Hoe kun je een vacuümkamer bouwen en toch een goed vacuümniveau bereiken? Dit is een van de dingen die je leert tijdens een intensieve training zoals “Grondbeginselen & ontwerpprincipes voor ultrazuiver vacuüm“van het High Tech Institute.

“Hoe meer componenten je erin stopt, hoe groter de kans op besmetting,” zegt Meuwese, een van de docenten tijdens de training. “Alleen al het oppervlak veroorzaakt contaminatie door uitgassing, en alles wat je in het vat plaatst betekent meer oppervlak, en dus meer uitgassing. Daar moet je op letten.”

Hoe kun je in je ontwerp rekening houden met een vacuümomgeving? “Er zijn een aantal do’s en don’ts die we tijdens de training behandelen. Om te beginnen is er natuurlijk een lijst met materialen die geschikt zijn voor vacuüm. Roestvrij staal is heel goed en ook aluminium kun je zonder problemen gebruiken. Messing is echter niet geschikt omdat het zink bevat dat verdampt bij 300 graden bij 10-3 mbar. Veel bedrijven hebben een lijst van materialen en coatings die hun technici mogen gebruiken.”

Roest is ook uit den boze omdat het poreus is en water bevat dat gassen uitwasemt. “Een eenvoudige vingerafdruk kan je weken laten lijden. Er zitten verrassend veel moleculen in een vingerafdruk, dus het duurt lang voordat alles weg is. En er is geen garantie dat je het er überhaupt uit kunt pompen,” zegt Meuwese. Goed schoonmaken is een vak apart en wordt uitgebreid besproken tijdens de training. Omdat vet een no-no is, zijn kogellagers een no-go. Ontwerpers moeten sterk vertrouwen op elastische elementen zoals bladveren en scharnieren met kruisveren. “Of op kogellagers met keramische kogels, of volledig keramische lagers, omdat die geen smeermiddel nodig hebben.”

Kleine benen

Ontwerpers moeten ook veel aandacht besteden aan de vorm en constructie van de onderdelen. “Ze moeten bijvoorbeeld scherpe randen vermijden. Als je die polijst met een wattenstaafje of een doekje, komen er resten in vast te zitten”, legt Meuwese uit. “Een bout in een blind gat houdt een volume lucht vast. Als je de loop leeggooit, lekt de lucht eruit. Onthoud dat de gaswet zegt dat pV/T constant is. Als je 10-7 mbar wilt bereiken, wordt dat kleine volume tien orden groter. “Blinde gaten zijn vervelend omdat er na het spoelen water in blijft staan. “Blinde gaten moet je dus ook vermijden. En als je een gat boort om het water eruit te laten, mag het niet te klein zijn. Door de capillaire werking blijft het water anders in het gat staan.

Als je een onderdeel maakt met behulp van een elektrische ontladingsmachine, mogen er geen rechte hoeken in het patroon zitten. “Dat is een andere manier van denken. Het gaat niet om het meest efficiënte ontwerp, maar om het voorkomen van randen en hoeken. Je moet alles buigen en dat is altijd een uitdaging. Met wat gezond verstand en ervaring kom je er uiteindelijk wel uit.”

Zelfs het verbinden van twee componenten in een vacuüm is niet eenvoudig. De oppervlakken zijn nooit vlak genoeg om ze perfect te laten passen. Er blijft altijd een spleet over – hoe klein ook – waarin lucht of verontreinigingen opgesloten zitten. Voor de vacuümpomp is het handiger als je de twee onderdelen met kleine pootjes van elkaar scheidt. Een halve millimeter is vaak al voldoende.

Vet is uit den boze in een vacuüm, dus er wordt bewogen met elastische elementen.

Vals spelen

De training van het High Tech Institute ging in het verleden vooral over vacuümtechnologie. De laatste jaren is er meer aandacht voor ultraclean. “Vacuüm is makkelijker te begrijpen; je pompt tot je de gewenste druk hebt bereikt,” zegt Meuwese. “Bij ultraclean is dat slechts de eerste stap. Daarna vul je het vat opnieuw met een ‘schoon’ gas, dat bijvoorbeeld geen water meer bevat. Maar hoe kun je bijvullen zonder het vat weer te vervuilen? Die uitdaging gaan we tegenwoordig ook aan tijdens de cursus.”

Voor een ontwerper is er weinig verschil tussen vacuüm of ultraclean. Het grootste verschil zit hem in de thermische eigenschappen. In vacuüm is de warmteoverdracht erg slecht omdat er geen geleidend medium is. Dat betekent geen convectie en geen geleiding, alleen straling en daar heb je een groot temperatuurverschil voor nodig. “In vacuüm wordt alles dus per definitie heet,” weet Meuwese. “Koelen kan via gesloten kanalen met water, langs en door de componenten. Of door een thermische verbinding te maken met een koud deel van het systeem. Er zijn ook complexe alternatieven zoals een helium backfill oplossing waarbij je lokaal lage druk toepast met moleculen die warmte kunnen overdragen. Eigenlijk is dat valsspelen,” zegt Meuwese met een glimlach.

“Een vacuüm is thermisch uitdagender dan ultraclean”, zegt Mark Meuwese.

Zintuig

Het toenemende belang van vacuümtechnologie en ultraclean betekent dat steeds meer ingenieurs op de hoogte moeten zijn van deze materie. Meuwese merkt op dat het niveau over de hele linie weliswaar stijgt, maar dat er nog veel te winnen valt. “De meeste mensen die van de hogeschool of universiteit komen, hebben een gevoel voor technologie. Ze voelen aan dat een dikke I-profielbalk meer gewicht kan dragen dan een dunne I-profielbalk. Ze hebben veel minder een natuurlijk gevoel voor vacuüm. Als ik iemand vertel dat ik 1015 moleculen kan verdampen binnen een bepaalde tijd en er zijn er 1018, dan zit ik er een factor duizend naast, maar ze weten niet wat dat betekent. Een vacuüm is abstracter dan mechanica. Mbar liter per seconde: dat doet bij veel ingenieurs geen belletje rinkelen.”

Scholen besteden tegenwoordig meer aandacht aan het vak. Zeker in de regio Eindhoven beheersen steeds meer studenten de basiskennis. “Toevallig heb ik nu een student uit Enschede en daar is het minder breed vertegenwoordigd. Meer op de Universiteit Twente, maar veel minder op het hbo. Het is ook nauw verbonden met de regio Eindhoven, maar zoiets als dampdepositie wordt over de hele wereld gebruikt en daar heb je vacuümkennis voor nodig. ”

Dit artikel is geschreven door Alexander Pil, technisch redacteur van High-Tech Systemen.

Na jarenlange praktijkervaring bij Philips Healthcare geeft Goof Pruijsen nu advies over value engineering en kostenmanagement. Hij verzorgt trainingen over deze onderwerpen voor High Tech Institute.

‘Echt genieten.’ Goof Pruijsen wel, want mensen uit verschillende technische ontwikkelingsdisciplines plukken de vruchten van zijn visie en kennis. ‘Het geeft me een heerlijk gevoel van waardering.’ Zelf is hij enorm nieuwsgierig. Het fascineert hem om in detail te begrijpen wat het is dat mensen overwegen te kopen, hoe en waarom een product technisch werkt en hoe je het kunt verbeteren om een bedrijf te verbeteren.

Onlangs kreeg hij een groot compliment van een lead system architect van ASML die samen met zijn team een workshop van Pruijsen had gevolgd. Ik dacht dat we een paar euro gingen besparen, maar ik leerde dat value engineering veel meer was’, zegt deze systeemarchitect. We behandelden een aantal fantastische onderwerpen en stelden vragen over beslissingen die we op hoog niveau in de systeemarchitectuur hadden genomen. De inzichten die we kregen hadden niet alleen invloed op de kosten, maar ook op de vermindering van complexiteit, risico, time-to-market en de uren die we besteedden aan engineering.’

Goof Pruijsen: “Juist de oplossingsgerichte aanpak, die veel teams hanteren, maakt ze blind voor alternatieven.

Daarom past value engineering perfect bij Pruijsen. Hoewel de definitie een beetje saai is: het gaat om het aanpassen en veranderen van ontwerp en productie op basis van een grondige analyse. Als het goed wordt gedaan, leidt het vaak tot kostenbesparingen. Daarom hebben ontwikkelaars vaak een negatieve associatie met value engineering, het ‘persen’ van een ontwerp om kosten te besparen.

De trainer van High Tech Institute, Goof Pruijsen, ziet echter een veel belangrijkere waarde: value engineering slaat bruggen tussen marketing, ontwikkeling, productie, inkoop en de leveranciers. Juist dit samenspel tussen verschillende disciplines zorgt ervoor dat je met deze aanpak grote winsten kunt behalen.

Kostenreductie richt zich vaak op de componentenlijst van de huidige oplossing. Dit noemt Pruijsen een beginnersfout. ‘Je ziet dat nieuwelingen in het vak een zogenaamde pareto-analyse uitvoeren, waarbij ze in kaart brengen welke 20 procent van de componenten verantwoordelijk is voor 80 procent van de kosten. Van de duurste dingen halen ze dan iets af. Het heet niet voor niets de kaasschaafmethode.’

Deze aanpak is vaak niet erg effectief, zegt Pruijsen. Als dit gebeurt, hebben anderen vaak al eerder ingegrepen. Dan valt er niet veel meer te winnen en is de kans groot dat nieuwe ingrepen de kwaliteit aantasten. Als dat ten koste gaat van je imago, ben je nog slechter af.’

Value engineering begint volgens Pruijsen dan ook met waarde voor de klant. ‘Wat wil de klant bereiken? Welke functies zijn daarvoor nodig? Wat is de waarde van die functie en wat zijn de kosten?’ Een voorbeeld dat hij vaak noemt is het volgende: het gaat niet om de boor, niet om het gat, maar om het ophangen van het schilderij om je huis in te richten. Teruggaan naar het uiteindelijke doel maakt ruimte voor creativiteit en nieuwe oplossingen en concepten.

Tolerantie is de kostenfactor

Het denken in functies is minder ingeburgerd dan de meeste ontwikkelaars denken. Pruijsen ziet dat de oplossingsgerichtheid waarmee veel teams werken, hen blind maakt voor alternatieven. ‘Ze denken niet out-of-the-box.’ Het helpt – en dat vergt oefening – om een bestaande oplossing te analyseren en van daaruit geleidelijk te abstraheren tot de functies volstrekt helder zijn. Zonder de oplossing te beschrijven. Dan kun je de kosten functioneel in kaart brengen en samen onderzoeken waarom deze functies duur zijn. Dat is een goede start voor het optimaliseren van huidige en toekomstige productgeneraties. Ik noem dat cost driver analysis. Als je dit goed doet, begint iedereen het probleem veel beter te begrijpen en ben je al halverwege de oplossing,” zegt Pruijsen.

Tolerantie of nauwkeurigheid is een typisch voorbeeld van een kostenfactor. Smalle toleranties resulteren in meer verwerkingstijd of -stappen. Een gemiddelde voeding is meestal niet zo duur, maar als de spanningsrimpel erg klein is, stijgt de prijs.

Volgens Pruijsen moet je goed naar die toleranties kijken. Zijn ze echt overal nodig, of alleen lokaal? Waarom is deze tolerantie zo gespecificeerd? Dit is vaak iets waar niet over nagedacht lijkt te worden. Toleranties kunnen zijn overgenomen van de vorige tekening, ontwerpers besteden er geen aandacht aan, maar ze staan wel op de factuur. Ontwikkelaars zijn zich meestal niet bewust van de gevolgen van hun risicomijdend kopieergedrag. Als blijkt dat een tolerantie-eis niet zo streng is, wordt de productie ineens veel eenvoudiger, sneller en goedkoper. Problemen met maakbaarheid en productieopbrengst worden vaak spontaan opgelost.

Grote projecten, meerdere teams, uitgebalanceerd ontwerp

Bij grote projecten met meerdere subteams optimaliseert ieder zijn eigen gebied zoveel mogelijk – al is het maar uit ambitie. Pruijsen: “Als de teams niet begrijpen hoe de taak over de modules is verdeeld, is de kans op onbalans in ontwerp en specificatie groot. Je zet geen Formule 1-motor op het chassis van een 2CV. De prestaties van de componenten moeten met elkaar in balans zijn. Het is de taak van de systeemarchitect om die balans te bewaren en over-engineering te voorkomen.

Pruijsen geeft een praktijkcase uit zijn tijd bij Philips Healthcare. Röntgenstraling wordt al jaren gebruikt voor medische diagnostiek en materiaalonderzoek. Om deze röntgenstraling op te wekken, schiet je hoogspanningselektronen op zwaar metaal. Op een gegeven moment vroeg de marketingafdeling om een nieuwe hoogspanningsgenerator. Een met meer vermogen, betere stabiliteit en hogere betrouwbaarheid. En het liefst ook nog goedkoper.

Pruijsen: “Een project als dit begint vaak puur prestatie- en techniekgericht. In dit geval besloten we echter formeel te starten met een value engineering workshop om zowel de winstmarge op het product als de technische richting te verbeteren. De oude generator werd geanalyseerd op kosten en functies. Het bleek dat er relatief veel geld was geïnvesteerd in veel kleinere onderdelen (de zogenaamde ‘long tail van pareto’). Je kunt niet snel de vinger leggen op dat ene dure onderdeel; het syndroom is er een van vele componenten. Een veel-delen-syndroom manifesteert zich meestal in hoge ontwerpkosten, hoge verwerkingskosten en hoge assemblagekosten voor alle betrokken onderdelen. Elke stap in het arbeidsproces brengt ook een foutenrisico met zich mee; en daar komt nog een extra risico op kwaliteitsproblemen en productieverlies bij. De richting voor verbetering is daarom meestal het reduceren van onderdelen door integratie, het zogenaamde DFMA (Design for Manufacturing & Assembly).

Een andere kostenfactor werd in het concept opgenomen. Om de hoogspanning in het oude concept veilig te beschermen, werd deze volledig ondergedompeld in een olietank. Dat bleek later te groot, te zwaar en onnodig duur.

Pruijsen: ‘We hebben elke functie gebrainstormd en een consistent en optimaal scenario gebouwd. Voor de hoogspanningsopwekking konden we meeliften op nieuwe technologie die het mogelijk maakt om met hogere frequenties te transformeren. Op die manier konden we het volume sterk verminderen.

Observeren hoe het werd gebruikt zorgde voor de grootste doorbraak. De oude generator was ontwikkeld door alle individuele prestatievereisten te maximaliseren, zonder te kijken of dit nuttige combinaties waren of niet. Artsen gebruiken echter ofwel een enkele opname met hoog vermogen of meerdere beelden per seconde met zeer laag vermogen (en enkele combinaties daartussenin). Toen de technici dit zagen, waren ze verontwaardigd. Niemand had ze dat ooit verteld! Het resultaat was een grote vermindering van het benodigde vermogen en een hoogspanningstank die uiteindelijk nog maar een tiende van het oorspronkelijke volume was.

Koeling is nog steeds nodig, maar in plaats van grote ventilatoren te gebruiken, plaatsten Pruijsen en zijn team de grootste warmtebron op de bodem van de kast. ‘Dit creëerde een convectiestroom. We gebruikten de warmtebron om de koeling te verbeteren. Dit is een voorbeeld van ‘omgekeerd denken’.

Het eindresultaat was een kleinere en stillere generator, die 35 procent goedkoper was. Bovendien waren er minder componenten nodig en bereikten we een betere betrouwbaarheid. En er was nog een optimalisatie, de totale ruimte die nodig was voor het systeem kon met één kast worden teruggebracht.

Had het nog beter gekund? Ja natuurlijk kon dat, zegt Pruijsen. Eén specificatiepunt hebben we tijdens dit proces niet kunnen doorbreken. De generator was gespecificeerd op 100 kW. Er werd gezegd dat dit zo moest zijn volgens medische voorschriften. Het heeft me maanden gekost om de bron van deze misvatting te achterhalen. Het bleek een medische richtlijn te zijn die adviseert om een generator van minimaal 80 kW te gebruiken om met meer zekerheid een goede diagnose te kunnen stellen. Dat was dus een gegeven advies, geen voorschrift!” zegt Pruijsen.

Dit ‘advies’ dateerde uit 1991. In de tussenliggende twintig jaar zijn beeldverwerkingstechnieken zo snel vooruitgegaan, dat met veel minder vermogen een beter resultaat kan worden bereikt. Uiteindelijk vond Pruijsen een productmanager die toegaf dat het geen wettelijke richtlijn was, maar een zogenaamde aanbestedingsspecificatie. Omdat fabrikanten hun klanten al jaren vertellen dat slechts 100 kW voldoende kwaliteit geeft, is het een ‘geaccepteerde overtuiging van de klant’ geworden.

Als de tolerantie-eisen te hoog blijken maar versoepeld kunnen worden, kan de productie ineens veel gemakkelijker, sneller en goedkoper worden”, zegt Goof Pruijsen. ‘Problemen met maakbaarheid en productierendement worden dan vaak spontaan opgelost.’

Modulaire architectuur beheren

Pruijsen geeft een ander voorbeeld. Een grote module in een productiemachine was ontworpen in een aantal kleine modules. Dit betekende dat een submodule snel vervangen kon worden als er fouten optraden. De aanname was dat dit goedkoper was en minder servicevoorraad opleverde. Door de toename van het aantal kritische interfaces met hoge tolerantie-eisen verdubbelde echter de kostprijs en nam de complexiteit toe, waardoor de verwachte betrouwbaarheid dramatisch lager werd,” zegt Pruijsen. Daar kwamen nog extra ontwikkelingskosten en productietests bij. Een ontwerp uit één stuk bleek de betere oplossing. Componenten met het grootste risico op falen werden daarbij op een goed bereikbare plaats geplaatst. De les was: Modulariteit is niet het opknippen van een module in submodules, maar het juist plaatsen van je modulariteit en interfaces. In dit geval met het oog op de beste service en ook kostenefficiënte service. Je moet blijven nadenken over de gevolgen en de balans.

In zijn value engineering training maakt Pruijsen duidelijk hoe de opzet van een value engineering studie in de praktijk werkt. Eerst concentreert hij zich op analysetools en vervolgens op creatieve technieken voor verbeterde scenario’s. Daarnaast wordt aandacht besteed aan het betrekken van leveranciers bij deze aanpak.

Er wordt veel aandacht besteed aan praktische training. Een derde van de training bestaat uit praktische oefeningen. Zo is er bijvoorbeeld een ‘Lego-auto oefening’ waarin cursisten leren hoe ze kostenreductie en waardevermeerdering kunnen aanpakken. Daarnaast voeren ze ook batenanalyses uit (case: op basis van welke criteria beslissen klanten om een auto te kopen?), processtroomanalyses (case: optimalisatie van een kantine) en functieanalyses (de kern van functioneel denken). Veel technieken worden verduidelijkt aan de hand van voorbeelden.

Pruijsen vraagt cursisten ook om van tevoren een korte presentatie van maximaal tien minuten voor te bereiden over hun bedrijf en product. Hij kan er één uitkiezen om ’ter plekke’ gezamenlijk te analyseren.

Goof’s tips voor value engineering

Last but not least volgen hier enkele tips van Goof Pruijsen met betrekking tot value engineering:

1. Analyseren voordat je oplossingen overweegt

2. Ga terug naar basisbegrip: wat doet het?

3. Wat maakt het duur en waarom?

4. Inventariseer de aannames en probeer ze te vernietigen

5. Wees creatief; beperk je niet tot het bedenken van traditionele oplossingen (risico’s vermijden), maar zoek de grenzen op

6. De oplossingen samenbrengen in een totaaloverzicht en scenario’s bouwen

7. Bagatelliseer de risico’s niet, maar gebruik ze ook niet als excuus om dingen niet te doen. Maak ze expliciet en verzacht ze

8. Houd de zakelijke kant van de zaak in de gaten. Iedereen is graag creatief bezig, maar er moet ook geld verdiend worden. Welk scenario voldoet het beste aan de financiële en organisatorische randvoorwaarden?

9. Ga ervoor!

Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech editor van High-Tech Systemen.