Erik Manders en Marc Vermeulen nemen een leidende rol op zich in de opleiding “Design Principles for Precision Engineering” (DPPE). Het duo neemt het stokje over van Huub Janssen, die zeven jaar de leiding had. Deel één van een tweedelige serie: trends in constructieprincipes.
Precisietechnologie is geen vaststaand concept; deze gereedschapskist voor hightech ingenieurs evolueert in de loop van de tijd. Om hier inzicht in te krijgen nodigde High Tech Systems magazine Huub Janssen, Erik Manders, Adrian Rankers en Marc Vermeulen uit voor een gesprek over de wereld van precisie, de veranderende trends en eisen in hightech en hoe het is om in dit vakgebied te werken. In het tweede deel gaan we dieper in op de impact hiervan op de Design Principles for Precision Engineering (DPPE) training.
Manders en Vermeulen zijn net als Janssen al tientallen jaren actief in de hightech, al verschillen hun rollen en interesses. Janssen is eigenaar van een hightech ingenieursbureau en was zeven jaar lang het boegbeeld van de DPPE-opleiding. Het nieuwe duo dat de grote lijnen uitzet werkt nu bij ASML, Manders als Principal Systems Architect voor Mechatronics en Vermeulen als Principal Mechanical System Architect. Adrian Rankers, voorheen werkzaam als Head of Mechatronics Research bij Philips CFT, is nu partner bij Mechatronics Academy (MA) en verantwoordelijk voor de DPPE-opleiding die MA aanbiedt via het High Tech Institute.
“Dertig jaar geleden was het positioneren op de micrometer een vakgebied van een andere planeet”, zei Janssen in 2019 toen hij het gezicht werd van de DPPE. Toen hij halverwege de jaren tachtig afstudeerde, werkten ontwerpers nog met micrometers. “In de loop der jaren is dit verschoven naar nanometers”, constateert hij vandaag.
Sinds het begin van de jaren negentig ontwikkelt hij met zijn bedrijf JPE mechatronische modules voor hightech, wetenschappelijke instrumenten voor onderzoek en meer recentelijk systemen voor kwantumcomputers. “Als je nu met die natuurkundigen praat, hebben ze het zonder blikken of blozen over picometers. Voor mij voelt dat bijna filosofisch aan.”
Erik Manders en Marc Vermeulen zijn als trainers al jaren betrokken bij de training Design Principles for Precision Engineering. De training is oorspronkelijk ontwikkeld bij het Philips Center for Manufacturing Technology (CFT), waar beiden hun carrière zijn begonnen. Vermeulen maakt al enkele jaren deel uit van een groep DPPE-trainers van Mechatronics Academy. Manders gaf de cursus jarenlang samen met Herman Soemers bij Philips Engineering Services, totdat de mechatronicagroep van deze activiteit in 2023 werd overgedragen aan ASML.
Niet eenvoudig
Het concept precisietechnologie is moeilijk te definiëren. Het is een gereedschapskist die ontwerpers veel ruimte biedt voor creativiteit. Geef tien ontwerpers hetzelfde probleem en je krijgt verschillende oplossingen die variëren in richting en detail. De ontwerpbenadering verschilt sterk afhankelijk van de toepassing, maar is ook onderhevig aan trends en veranderende vereisten. Over een paar jaar kunnen de vereisten en benaderingen nauwelijks veranderen, maar kijk tien jaar vooruit en de ontwerpen en methoden die worden gebruikt om ze te realiseren, kunnen totaal anders zijn.
''You keep running into new physical phenomena that previously had no influence and suddenly appear.''
Interferometerophanging
Er is geen heilige graal of universele ontwerpregel in precisietechnologie. Best practices verschillen per markt, systeem of toepassing. Huub Janssen ontdekte dit toen hij net van school kwam bij ASML. “In het begin leerde ik van Wim van der Hoek om iets statisch bepaald te bouwen”, zegt hij. “Maar bij ASML ontdekte ik dat deze aanpak niet altijd werkte. Voor de PAS2500 waferstepper ontwikkelden we in eerste instantie een nieuwe interferometerophanging om de positie van de tafel in de x- en y-richting te meten. Dit ontwerp volgde de principes van Van der Hoek, met elastische elementen enzovoort. Maar toen we het testten, ontdekten we dat er geen demping was. Het is reproduceerbaar, maar alles bleef trillen. Het was een ramp. Ik leerde dat je bepaalde constructieprincipes van Van der Hoek niet zomaar overal kunt toepassen; je moet weten wanneer je ze moet gebruiken.”
Toenemende eisen
De steeds hogere eisen voor precisie beïnvloeden de ontwerpkeuzes sterk. Vermeulen legt uit: “Met toenemende nauwkeurigheid neemt de complexiteit toe. Elke keer moet je het probleem een beetje verder afpellen. Je stuit voortdurend op nieuwe fysische fenomenen die er eerder niet toe deden, maar nu wel een impact hebben. Je moet dan tot de kern komen: wat gebeurt hier fysisch?”
Vermeulen geeft als voorbeeld de toepassing van passieve demping op de korte slag wafertrap van lithografische scanners. ‘Dat was een behoorlijke horde die we rond 2015 moesten nemen, want wat je ontwerpt moet voorspelbaar zijn. Als je denkt in termen van stijfheid en massa, is dat nog steeds mogelijk. Maar in het begin wisten we niet hoe een demper zich zou gedragen.
Zou het verouderen? Kruipen? Dat moesten we volledig begrijpen. Dat betekende dat we moesten modelleren hoe demping de dynamica beïnvloedt. In het begin lukte dat niet, maar toen we het eindelijk goed hadden, konden we de metingen en het model op elkaar afstemmen. Pas toen we er redelijk zeker van waren dat we het begrepen, konden we de volgende stap zetten. Als je dit niet goed doet, blijft het giswerk, kun je het gedrag niet goed voorspellen en kom je later voor verrassingen te staan.
Een ander voorbeeld zijn problemen die kunnen ontstaan bij het verhogen van de productiviteit. Vooral met watergekoelde componenten is het een uitdaging om dit onder controle te houden. Iedereen kent het knappen van de waterleiding als je snel een kraan dichtdraait. Op dezelfde manier creëert versnelling drukgolven in systemen met waterkoeling. ‘Die golven moet je dempen, want drukpulsen veroorzaken vervorming’, zegt Vermeulen, ‘je moet begrijpen hoe dat werkt.’
Manders voegt hieraan toe: “Op een micrometerschaal zou je dit niet merken, maar op een nanometerschaal vervormt zelfs een glazen blok als de druk verandert. Dit is een fysiek probleem op systeemniveau.”
Eenvoud
De belangrijkste benadering is het streven naar eenvoud. Dit leidt tot robuuste en kosteneffectieve constructies. Maar er is nog een belangrijke reden om dingen eenvoudig te houden. Als een gekozen oplossing eenmaal is ingebed in een product, zullen ontwerpers die erop voortbouwen dat subsysteem niet snel veranderen. “Als je kiest voor complexiteit, zul je die nooit kunnen verwijderen,” vat Rankers samen. “Als je eenvoud niet vanaf het begin afdwingt, zul je ermee blijven worstelen. Het zal aan je blijven knagen.”
Janssen: “Als het werkt, durft niemand eraan te komen. Als je reserves inbouwt, zal niemand later voorstellen om ze te verwijderen. Want iedereen zal tegenspreken: ‘Weet je zeker dat het dan nog werkt? Je kunt wel raden wat de uitkomst zal zijn.'”
Vermeulen: “Precies. Niemand durft terug te gaan. Je begint met een ontwerp, zet een proefopstelling op en als het zich min of meer bewezen heeft, ga je ermee door.”
Manders: “Je moet complexe aanpassingen of kalibraties vermijden, want die gaan nooit meer weg. Het projectteam dat daarna komt, zal zeggen: ‘We kopiëren dit gewoon omdat het werkt. We doen het op dezelfde manier.'”
Dit zijn moeilijke beslissingen, zegt Janssen. Ontwerpkeuzes kunnen sterk variëren en zijn afhankelijk van de toepassing en de markt. “Voor halfgeleiderapparatuur wil je alles honderd keer opnieuw berekenen voordat je de machine bouwt. Ontwerpers kunnen enige reserve inbouwen om de constructie te laten werken. Maar kleine marges in verschillende budgetten maken een oplossing soms onmogelijk of te ingewikkeld. Soms moet je echt alles uit de kast halen om dat laatste beetje precisie te bereiken. Maar als het eenmaal klaar is, kun je niet meer terug.”
Bij zijn bedrijf JPE moedigt Janssen zijn ontwerpers aan om soms meer risico’s te nemen. “Het kan vaak goedkoper. Iets wat dunner en iets minder stijf is, kan sneller en goedkoper worden afgewerkt. Maar je moet het echt durven.”
Manders: “Maar soms kost reserve bijna niets. Door slim te ontwerpen kan vaak nauwkeurigheid worden bereikt zonder veel extra productiestappen te doorlopen. Bijvoorbeeld door slim te kijken of je meerdere vlakken in één opstelling kunt frezen en gebruik kunt maken van de zeer nauwkeurige freesmachines van tegenwoordig. Het is in ieder geval belangrijk om er gevoel voor te ontwikkelen.”
''The process of creating a design is magical. You just can’t design the more complex modules alone.''
Systeemarchitect
Manders begon bij Philips CFT als ontwerper. De laatste jaren had hij een meer coachende rol als systeemarchitect op de mechatronica-afdeling van Philips Engineering Services, dat in 2023 overgaat in ASML, en werkte hij met een team van zo’n honderd collega’s en technici bij leveranciers. “Ja, dan heb je veel reviews.”
Hij ziet zijn rol als “het overzicht bewaren tussen de disciplines”. “Ik probeer het cement tussen de stenen te zijn. Uiteindelijk moet het functioneren. Dat is het spel.”
Twintig ballen
Janssen koos ervoor om al vroeg in zijn carrière een eigen bedrijf te beginnen, Janssen Precision Engineering, later JPE. Manders en Vermeulen werken daarentegen in een grotere organisatie waar ze moeten afstemmen met veel collega’s en leveranciers. “Ik moet twintig ballen in de lucht houden met uitdagende techniek,” beschrijft Janssen, die zijn baan ook als hobby ziet. “Ondertussen moet ik kijken naar wat de markt nodig heeft. We zijn geen groot bedrijf, maar we hebben wereldwijd een grote impact.”
Hoe is het in een veel grotere organisatie als ASML? Vermeulen zegt: “Iemand die net in dienst is gekomen, werkt aan een heel klein onderdeel. De uitdaging is om hen te helpen begrijpen hoe hun bijdrage past in het grotere geheel.”
Manders voegt eraan toe: “Duizenden mensen werken aan onze machines. Je kunt het als nieuwkomer niet meteen bevatten. De complexiteit is overweldigend.”
De oprichters van ASML hadden volgens Manders het voordeel dat ze met eenvoudigere apparaten begonnen. “Die konden ze beter begrijpen en dat was hun ankerpunt toen de machines complexer werden. Mensen die er later bij komen, kunnen niet meteen het hele plaatje zien. Mensen die pas beginnen met werken, zien in het begin door de bomen het bos niet meer. Ze moeten erin groeien en gaandeweg de context ontdekken.”
Geleider
In zo’n groot team heeft iedereen zijn rol. “Wat de servologen en stromingsdynamica-experts in mijn team berekenen, zou ik zelf niet kunnen”, zegt Manders, die zichzelf meer als dirigent ziet. “Ik probeer minder ervaren collega’s richting en gevoel voor de context te geven. Waarom doen we dit? Waar gaan we naartoe? Je probeert het team samen te laten spelen en iets moois te laten creëren. Maar een goed orkest speelt in wezen op zichzelf.”
Rankers voegt eraan toe: “In je eentje kun je deze complexe modules niet tot een goed einde brengen. Het is als een voetbalteam. De coach scoort ook geen doelpunten.”
Vermeulen erkent dit. “Ik ben verantwoordelijk voor de technologie, maar ook voor hoe we samenwerken. Dat is waarschijnlijk de helft van mijn tijd: leiding geven. Je hebt invloed op hoe het team samenwerkt. Als systeemarchitect breng je alles samen en geef je richting. Je vraagt je experts wat vanuit hun perspectief de beste oplossing is en dat leidt tot een gebalanceerd ontwerp. Er kunnen honderd of honderdvijftig mensen in een team zitten, maar het gaat erom hoe ze samenwerken.”
''The most important approach is to strive for simplicity.''
Grote projecten
Manders vindt het jammer dat hij niet meer zelf bouwt, maar hij vindt zijn huidige rol net zo uitdagend. “Nu ben ik er meer op gericht om alles in balans te houden en systeemkeuzes te maken bij grote projecten.”
Vermeulen ziet deze rol als een coach. “Het gaat over uitzoomen en inzoomen. Het grote geheel in de gaten houden.”
Manders legt uit: “Veel één-op-één gesprekken, hurken naast collega’s, brainstormen over waar we naartoe moeten. Soms moet je uitzoomen en je realiseren dat je op het verkeerde spoor zit. De aanpak moet helemaal veranderen.”
Manders noemt dit “de charme van het ontwerpen”. “Alle afwegingen die je maakt met je team leiden tot iets moois als het goed gedaan wordt. Het is spannend om het als architect vanaf de zijkant te zien groeien. Soms komen mensen met heel verrassende ideeën bij de koffieautomaat. Het proces van het maken van een ontwerp is magisch. De complexere modules kun je niet alleen ontwerpen.”
Vermeulen voegt eraan toe: “Eén plus één is drie. De ene persoon zegt iets, waardoor een ander op een idee komt. Een derde komt dan met iets verrassends, enzovoort.”
Janssen concludeert: “Maar uiteindelijk moet iemand een richting kiezen.”
Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech-redacteur van Bits&Chips.
De training 'Ontwerpprincipes voor precisietechniek' wordt twee keer per jaar gehouden
Blijf op de hoogte
Ontvang onze maandelijkse updates
