“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.

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.

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.

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.’

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.

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.