Posted on

“Deze cursus heeft onze interacties met leveranciers al veranderd.”

mechatronica
Toen Curt Preissner als ingenieur voor deeltjesversnellers werkte, liep hij tegen de grenzen van hun ontwerpfilosofie aan. Daarom volgden hij en een collega de cursus Mechatronica systeemontwerp (metron) – deel 1 aan het High Tech Institute. Hierdoor konden ze een nieuwe ontwerpbenadering introduceren in de synchrotrongemeenschap en beter praten met leveranciers. “Je moet kunnen communiceren wat je ’s nachts wakker houdt.
Check out the training

Toen Curt Preissner de Metron – deel 1 cursus volgde bij het High Tech Institute in Eindhoven, was hij onder de indruk van de lokale expertise, maar ook van de hoeveelheid fietsen die er rondreed. Ik fiets naar mijn werk hier in de Verenigde Staten, maar het is helemaal niet zoals in Nederland’, blikt hij tevreden terug.

Preissner is werktuigbouwkundig ingenieur bij de Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het Office of Science van het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) in het Argonne National Laboratory van het DOE in Illinois. Deze synchrotron, een soort cirkelvormige deeltjesversneller, genereert straling in de vorm van röntgenstraling. Deze röntgenstraling kan weer gebruikt worden om bijvoorbeeld afbeeldingen te maken van de nanostructuur van materialen. Preissner ontwerpt een heel specifiek onderdeel van dat systeem.

In een deeltjesversneller versnel je elektronen met behulp van radiofrequentie-energie”, legt Preissner uit. Vervolgens slingeren ze heen en weer tussen de noord- en zuidpool van magneten, wat synchrotronstraling oplevert. In onze machine heeft die straling de vorm van röntgenstraling. De energie van de röntgenstralen die we produceren varieert van een paar KeV tot 100 KeV, dus ze zijn zeer doordringend. We nemen die röntgenstraling en gebruiken een zogenaamde monochrometer om een bepaalde golflengte te selecteren. Het instrument dat ik ontwerp is een röntgenmicroscoop genaamd de PtychoProbe. Dit wordt een uniek instrument van wereldklasse dat röntgenstraling focust tot op vijf nanometer, wat nu nog niet bestaat. Het wordt dus een wereldprimeur. De röntgenstralen worden op het monster gericht en breken er dan vanaf. De gebroken röntgenstralen van het monster worden dan opgevangen door een detector, waarvan we de gegevens verwerken tot een beeld dat de structuur van het monster laat zien.

mechatronica

Curt Preissner,credit: Mark Lopez Argonne National Laboratory

Nieuwe engineeringfilosofie

Preissner en zijn collega’s realiseerden zich dat dit nieuwe ontwerp, dat een hoge mate van precisie vereist, een nieuwe engineeringfilosofie zou vereisen. De specificaties waarmee we werken kunnen zeer uitdagend zijn”, zegt Preissner. Over het algemeen is ons systeem statisch. Maar aan de kant van de beamline beweegt alles. We moeten onze monsters op een andere manier scannen omdat de nieuwe bundels veel helderder zijn. Dankzij deze helderheid kunnen we onze monsters gedetailleerder bekijken. Deze hoge fotonflux kan het monster echter beschadigen, waardoor we deze details niet meer kunnen zien. We willen dit dus snel doen. We hoeven niet zo snel te werken als sommige halfgeleiderproductieapparatuur. We scannen ongeveer zeven millimeter per seconde, wat geen extreem hoge snelheden zijn. Maar voor wat we gewend zijn, is dit vrij hoog. Het monster en de röntgenlens, die de zoneplaat wordt genoemd, moeten ook een registratie van 1,25 nanometer behouden. Dat is behoorlijk krap. We doen dat over lengteschalen van ongeveer 10 millimeter. Dit is nieuw terrein voor ons. Daarom zijn we op zoek naar nieuwe technische benaderingen om dit te bereiken.

''A mechatronic approach is very interesting here. It's great to think about things like error budgeting and dynamic models from the get-go. It's a more integrated approach.''

Geïntegreerde aanpak

Na wat onderzoek realiseerden ze zich dat mechatronica een oplossing kon bieden. We zijn eerst begonnen in de synchrotrongemeenschap, die niet zo groot is’, legt Preissner uit. Er zijn een paar honderd synchrotron instrumentatie ingenieurs, waarschijnlijk minder dan een paar duizend. De gemeenschap is niet zo groot. Dus toen we niet de antwoorden vonden die we zochten, zijn we op zoek gegaan naar andere gebieden met vergelijkbare prestatiespecificaties. Zo kwamen we uit bij halfgeleiderproductieapparatuur, en op zijn beurt bij de mechatronica-benadering.

Deze aanpak, die op sommige gebieden gebruikelijk is, is nieuw in de synchrotrongemeenschap. Mechatronica zou echter wel eens datgene kunnen zijn wat ze nodig hebben om de technologie vooruit te helpen. In de laatste generatie instrumenten, tien tot vijftien jaar geleden, was het niet ongewoon dat een mechanisch ingenieur met een beamline-wetenschapper ging zitten en gewoon de mechanica ontwierp, een bewegingscontroller aansloot, misschien wat interferometrie, en resultaten behaalde waarmee de wetenschappelijke klus geklaard werd. De enige aandacht voor dynamica in het ontwerp was trillingen, en er was zeker geen benadering op systeemniveau”, zegt Preissner. Maar nu dwingen de ontwikkelingen in de versneller en röntgenoptiek ons om de grenzen op te zoeken van wat we kunnen doen. Die oude aanpak zal niet werken. We moeten vooruit kijken; de wetenschap staat niet toe dat we stil blijven staan. Het instrument dat ik ontwerp moet minstens de komende tien jaar wetenschappelijk productief zijn. Een mechatronische benadering is hier erg interessant. Het is geweldig om vanaf het begin na te denken over zaken als foutbudgettering en dynamische modellen. Het is een meer geïntegreerde aanpak.

In Nederland belanden

Zo kwamen Preissner en een collega in Nederland terecht waar ze een mechatronicacursus volgden aan het High Tech Institute. Voor hen was het de ideale manier om snel in het vakgebied ondergedompeld te worden. Bij het APS hebben we niet altijd de luxe om enorm veel aan R&D te kunnen doen’, zegt Preissner. Met dit project zitten we in tijdsnood. We moeten snel kennis opdoen, zodat we kunnen samenwerken met leveranciers of ons eigen ontwerp kunnen maken. Als je bijvoorbeeld kijkt naar de waferscanners van ASML, dan zijn hun prestaties zeer indrukwekkend. Maar het is belangrijk om te onthouden dat er ongeveer veertig jaar ontwikkeling aan vooraf is gegaan. Wanneer wij deze instrumenten ontwerpen, hebben we die tijd niet. We moeten zo snel mogelijk leren.

''There's certain key issues in this design that keep me up at night, and we need to be able to communicate that. After the course I could go to a vendor and ask them to, for example, show us their error budget. Or I could talk to them about the controller dynamics overlaid with the mechanics dynamics''

Verkopers

Een belangrijk ding dat ze tijdens de cursus leerden was een nieuw soort taal, waardoor ze beter met hun verkopers konden praten. We gaan niet zomaar iets kopen’, zegt Preissner. We doen voorstellen en beslissen of een leverancier bepaalde ontwerpen kan maken. Het is dus belangrijk om technieken als foutbudgettering te kennen, naast het feit dat je naar ontwerpen moet kunnen kijken met een mechatronische blik. Formele training versnelde ons vermogen om met leveranciers te praten. Er zijn bepaalde belangrijke kwesties in dit ontwerp die me ’s nachts wakker houden en dat moeten we kunnen communiceren. Na de cursus kon ik naar een leverancier gaan en ze vragen om ons bijvoorbeeld hun foutenbudget te laten zien. Of ik zou met ze kunnen praten over de dynamica van de controller in combinatie met de dynamica van de mechanica.

Kort tijdsbestek

De cursus leerde hen dit in een kort tijdsbestek. Dit is belangrijk voor een ingenieur als Preissner, die werkt aan een tijdgevoelig project voor een door de overheid gesubsidieerde organisatie. We staan onder hoge druk, dus we wilden graag leren en deden dat ook vrij snel. We hebben hard gezocht naar een cursus die deze kennis snel voor ons kon verpakken. APS is ook een overheidsinstelling, dus we gebruiken belastinggeld. We moeten goed opletten hoe we die besteden. We zijn altijd op zoek naar manieren om onze doelen op een effectieve manier te bereiken en deze cursus heeft ons geleerd wat we moesten weten op een zeer efficiënte manier.

Volgens Preissner is dit allemaal werk in uitvoering. De synchrotron engineering gemeenschap heeft lange tijd op een bepaalde manier gewerkt. Maar nu realiseren mensen zich dat we het anders moeten doen. Deze cursus stelde ons in staat om die andere aanpak te kiezen.

''The first part of the training was good, and now we're thinking about taking additional courses.''

Model op een holistische manier?

Tot nu toe is de nieuwe mechatronica-kennis vooral gebruikt in contacten met leveranciers. Maar Preissner merkt op dat ze het in de toekomst ook willen gebruiken om nieuwe instrumenten vanaf de grond af aan te ontwerpen. Het ligt op de tekentafel’, zegt hij. We vragen ons af of we deze nieuwe aanpak op een meer systematische manier kunnen toepassen. Kunnen we het instrument, het besturingssysteem en de invloeden op een holistische manier modelleren? Aan welke knoppen moeten we draaien? Welke controleaanpak zou zinvol zijn?

Voorlopig willen Preissner en zijn collega’s hun kennis van mechatronica echter uitbreiden. Ze kijken er al naar uit om meer cursussen te volgen. Als je het niet gebruikt, raak je het kwijt. Dus we voelen een zekere druk om het geleerde zo regelmatig mogelijk toe te passen. Het eerste deel van de training was goed en nu denken we erover om aanvullende cursussen te volgen. Als je nieuwe engineeringtechnieken leert, kost dat wat tijd. Je moet ermee werken. Het heeft onze interacties met leveranciers al veranderd. De volgende stap zal zijn om onze eigen ontwerpen vanaf de grond af aan te veranderen.

Dit artikel is geschreven door Tom Cassauwers, freelancer voor High-Tech Systems.

Recommendation by former participants

By the end of the training participants are asked to fill out an evaluation form. To the question: 'Would you recommend this training to others?' they responded with a 8.9 out of 10.

Posted on

“Dieser Kurs hat bereits den Umgang mit unseren Lieferanten verändert.”

In zijn werk als Ingenieur voor Teilchenbeschleuniger hield Curt Preissner zich bezig met de grenzen van de designfilosofie. Daarom hebben hij en zijn collega’s de cursus Mechatronica systeemontwerp (metron) – deel 1 bij het High Tech Institute gevolgd. Op die manier konden ze een nieuwe ontwerpoplossing in de Synchrotron-Gemeinschaft uitwerken en beter communiceren met hun klanten. Sie müssen in der Lage sein zu kommunizieren, was Sie nachts hält.
Check out the training

Toen Curt Preissner de Metron – Teil 1 Kurs bij het High Tech Institute in Eindhoven volgde, was hij onder de indruk van zijn lokale kennis, maar ook van de vele Fahrrädern die hier werken. Ich fahre hier in den Vereinigten Staaten mit dem Fahrrad zur Arbeit, aber das ist überhaupt nicht wie in den Niederlanden”, blickt er gern zurück.

Preissner is machinebouwer bij de Advanced Photon Source (APS), een instituut van het U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science in het Argonne National Laboratory van het DOE in Illinois. Deze synchrotron, een kunst kreisförmiger Teilchenbeschleuniger, erzeugt Strahlung in de vorm van Röntgenstrahlen. Deze Röntgenstralen kunnen wiederum worden gebruikt om bijvoorbeeld beelden van de nanostructuur van materialen te maken. Preissner maakt een volledig nieuwe combinatie in dit systeem.

In einem Teilchenbeschleuniger beschleunigen Sie Elektronen mit Hilfe von Hochfrequenzenergie”, erklärt Preissner. U oszillieren dan zwischen den Nord- und Südpolen von Magneten hin und her, wodurch das entsteht, was wir Synchrotronstrahlung nennen. In ons apparaat ligt deze straling in de vorm van Röntgenstralen voor ons. De energie van onze Röntgenstrahllen reikt van één KeV tot 100 KeV, en is ook zeer krachtig. Wij gebruiken deze Röntgenstralen en gebruiken een zogeheten Monochrometer, om de beste Wellenlänge te verkrijgen. Het instrument dat ik gebruik is een Röntgenmikroskop genaamd PtychoProbe. Het is een uniek instrument van Weltrang, dat de Röntgenstralen tot op vijf nanometer richt, wat nu nog steeds niet mogelijk is. Het zal ook een Weltneuheit worden. Die Röntgenstrahlen werden auf die Probe fokussiert und von ihr gebeugt. Die von der Probe gebeugten Röntgenstrahlen werden dann von einem Detektor aufgefangen, von dem wir die Daten verarbeiten, um ein Bild zu erzeugen, das die Struktur der Probe zeigt.

Mechatronik

Curt Preissner,Kredit: Mark Lopez Argonne National Laboratory

Nieuwe filosofie van de techniek

Preissner en zijn collega’s erkennen dat dit nieuwe ontwerp, dat een hoge mate van precisie vereist, een nieuwe technische filosofie zal ontwikkelen. Die Spezifikationen, mit denen wir arbeiten, können sehr anspruchsvoll sein”, sagt Preissner. In zijn geheel is ons systeem statisch. Maar op de Beamline zijn de dingen in beweging. We moeten onze tests op een andere manier uitvoeren, want de nieuwe Strahlen zijn veel heller. Die Helligkeit ermöglicht es uns, unsere Proben detaillierter zu sehen. Maar deze hoge fotonenflits kan de sonde beschamen en ons hinderen om deze details te zien. We willen dit ook snel verhelderen. Wir müssen nicht so schnell arbeiten wie einige Geräte zur Halbleiterherstellung. We scannen ongeveer zeven millimeter per week, dat zijn geen extreem hoge schommelingen. Maar voor datgene waar we mee bezig zijn, is het ziemlich hoch. Die Probe en die Röntgenlinse, die zo genannte Zonenplatte, müssen außerdem in einer Größenordnung von 1,25 Nanometern ausgerichtet werden. Das ist ziemlich eng. We schaffen dit aan over Längenskalen van ongeveer 10 millimeter. Das ist Neuland für uns. Daarom zijn we op zoek naar nieuwe technische oplossingen, om dit te erreichen.

''A mechatronic approach is very interesting here. It's great to think about things like error budgeting and dynamic models from the get-go. It's a more integrated approach.''

Integrierter Ansatz

Na een aantal onderzoeken was het duidelijk dat die Mechatronik een antwoord kon bieden. Wir haben zuerst in der Synchrotron-Gemeinschaft angefangen, die nicht sehr groß ist”, erklärt Preissner. Er is een überschaubare Anzahl von Synchrotron-Instrumentierungsingenieuren, wahrscheinlich ein paar Hundert, sicher weniger als ein paar Tausend. Die Gemeinschaft is niet zo groot. Als we ook niet die Antworten fanden, die we suchten, begonnen we, in andere Bereichen mit ähnlichen Leistungsanforderungen zu recherchieren. Dus gingen we naar de Halbleiterfertigungsanlagen en daarmee naar de Mechatronik-Ansatz.

Deze benadering is in verschillende sectoren üblich, maar in de synchrotrongemeenschap is ze nieuw. Die Mechatronik könnte jedoch genau das sein, was sie brauchen, um die Technologie weiter voranzutreiben. Bij de laatste generatie instrumenten, in de afgelopen tien tot vijf jaar, was het niet ongebruikelijk dat ein Maschinenbauingenieur mit einem Strahlenforscher zusammensetzte und einfach die Mechanik entwarf, eine Bewegungssteuerung anschloss, vielleicht etwas Interferometrie einsetzte und Ergebnisse erzielte, mit denen die wissenschaftliche Arbeit erledigt war. Die einzige Berücksichtigung der Dynamik bei der Konstruktion waren Trillungen, und es gab sicherlich keinen Ansatz auf Systemebene”, aldus Preissner. Maar nu zwaaien we de Fortschritte in de Beschleuniger- en Röntgenoptiktechnologie naar beneden, die Grenzen dessen, was wir tun können, zu erweitern. De oude oplossing zal niet meer functioneren… Wir müssen nach vorne blicken; die Wissenschaft erlaubt uns keinen Stillstand. Das Instrument, das ich entwerfe, muss mindestens für die nächsten zehn Jahre wissenschaftlich produktiv sein. Een mechatronischer Ansatz is hier heel interessant. Het is heel slim om vanaf het begin rekening te houden met zaken als Fehlerbudgetierung en dynamische modellen. Het is een geïntegreerde oplossing.

In Niederlanden landen

Zo kwam het dat Preissner en een Kollege in de Niederlanden de Mechatronikkurs bij het High Tech Institute bezochten. Voor hen was dit de ideale weg om snel in dit gebied te komen. Bij het APS hebben we niet altijd het luxe, veel Forschung und Entwicklung betreiben zu können”, zegt Preissner. Wij staan bij dit project onder tijdsdruk. We moeten ons snel wijzer maken, zodat we met onze partners kunnen samenwerken of ons eigen ontwerp kunnen maken. Als u bijvoorbeeld de Wafer-Scanner van ASML kent, is de functionaliteit zeer indrukwekkend. Maar je mag niet vergeten dat er tussen deze apparaten vier jaar ontwikkeling zit. Als we deze apparaten gebruiken, hebben we deze tijd niet. We müssen so schnell wie möglich lernen.’

''There's certain key issues in this design that keep me up at night, and we need to be able to communicate that. After the course I could go to a vendor and ask them to, for example, show us their error budget. Or I could talk to them about the controller dynamics overlaid with the mechanics dynamics''

Anbieter

Een belangrijke vaardigheid, die ze in de cursus hebben geleerd, was een nieuwe taal, die hen in staat stelde om beter met hun klanten te praten. Wir gehen nicht einfach los und kaufen etwas”, zegt Preissner. We schlagen Dinge vor undentscheiden, ob ein Anbieter bestimmte Entwürfe machen kann. Daarom is het belangrijk dat je technieken kent als die Fehlerbudgetierung en dat je die Entwürfe met een mechatronisch perspectief kunt inzetten. Een formele Ausbildung heeft onze Fähigkeit, mit Anbietern zu sprechen, verbessert. Er zijn bestimmte schlüsselproblemen in deze omgeving, die mij nachts in de steek laten, en we moeten in de Lage zijn om die te kunnen communiceren. Na de cursus kon ik naar een analist gaan en hem als voorbeeld gebruiken om ons Fehlerbudget te laten zien. Of ik kan met hem praten over de Dynamik der Steuerung, die met de Dynamik der Mechanik überlagert wird.

Kurzer Zeitrahmen

Der Kurs hat ihnen das in einem kurzen Zeitrahmen beigebracht. Dat is belangrijk voor een ingenieur zoals Preissner, die werkt aan een zeitkritisch project voor een door de overheid gefinancierde organisatie. We stonden onder grote druk, ook waren we erg nieuwsgierig, om te leren, en we hebben dit recht op tijd gedaan. We zijn intensief aan de slag gegaan na een cursus die ons deze kennis heeft bijgebracht. Die APS is ook een staatliche Einrichtung, we verwenden ook Steuergelder. We willen graag weten hoe ze werken. We zijn steeds op zoek naar mogelijkheden om onze doelen op een effectieve manier te bereiken, en deze cursus heeft ons datgene geleerd dat zeer effectief is.

Dit alles is nog steeds in werking, dankzij Preissner. Die Gemeinschaft der Synchrotrontechniker hat lange Zeit auf eine bestimmte Art und Weise gearbeitet. Maar nu erkennen die collega’s dat wij die dingen anders moeten doen. Deze cursus heeft ons geholpen deze andere aanpak te volgen.

''The first part of the training was good, and now we're thinking about taking additional courses.''

Ganzheitlich modellieren?

Bislang wurde die neue Mechatronik-Wissen vor allem bei Kontakten mit Anbietern genutzt. Maar Preissner merkt dat ze in de toekomst ook nieuwe instrumenten van Grund auf moeten ontwikkelen. Das ist auf dem Reißbrett’, zegt hij. Wij vragen ons af of we deze nieuwe oplossing op een systematische manier kunnen gebruiken. Kunnen we het instrument, het model van het controlesysteem en de instellingen volledig modelleren? Welke Knöpfen kunnen we gebruiken? Welke besturingsoplossing is goed?’

Jetzt wollen Preissner und seine Kollegen aber erst einmal ihr Wissen über Mechatronik erweitern. Sie freuen sich darauf, weitere Kurse zu belegen. Als je het niet gebruikt, doe je het wel. We verspüren ook einen gewissen Druck, das Gelernte so regelmäßig wie möglich anzuwenden. Het eerste deel van de cursus was goed en nu denken we dat we nog verder moeten gaan, dat we nog meer cursussen moeten volgen. Als je nieuwe technische technieken leert, heb je een beetje tijd nodig. Man muss damit arbeiten. Dit heeft onze interactie met onze klanten veranderd. De volgende stap zal zijn dat we onze eigen ontwerpen van Grund auf zu ändern.

Dit artikel is geschreven door Tom Cassauwers, vrijwilliger bij High-Tech Systems.

Recommendation by former participants

By the end of the training participants are asked to fill out an evaluation form. To the question: 'Would you recommend this training to others?' they responded with a 8.9 out of 10.