“Het thermische frequentiedomein opent een nieuwe manier van denken”

Voor Nobleo Technology gaan precisie en innovatie hand in hand. Ontwerper Rik Houwers verdiepte onlangs zijn expertise via de cursus ‘Thermal Effects in Mechatronic Systems‘. Hij kreeg nieuwe inzichten in hoe temperatuurschommelingen machines met hoge precisie beïnvloeden en hoe modellering in het frequentiedomein kan leiden tot slimmere, stabielere ontwerpen.

“Iets bouwen wat je zelf ontwerpt is altijd leuk”, zegt Rik Houwers, ontwerper bij Nobleo, “omdat je directe feedback krijgt. Helaas is dat niet altijd mogelijk.” Hij studeerde werktuigbouwkunde aan de Technische Universiteit Delft, met als specialisatie biomechanica en fijnmechanica. Hij maakte kennis met Nobleo, waar hij nu negen jaar werkt. Zijn werk bestaat voornamelijk uit mechanisch ontwerp en analyse van mechatronische systemen en meetmachines.

Vanwege de multidisciplinaire aard van mechatronica is het team essentieel. “We werken met experts uit verschillende vakgebieden: mechanisch, elektronisch, besturing, software, inkoop en soms thermisch of optisch. Door de basis van elkaars disciplines te begrijpen, is effectieve communicatie mogelijk en dat maakt het verschil. Bovendien worden de beste innovatieve ideeën vaak gevonden op de grens van meerdere disciplines.”

Een niche met grote impact

Houwers heeft onlangs de cursus‘Thermal Effects in Mechatronic Systems‘ gevolgd die werd aangeboden door Mechatronics Academy via High Tech Institute. Tijdens een eerder project had hij met eigen ogen gezien hoe temperatuurvariaties de meetnauwkeurigheid kunnen beïnvloeden. “In de machine waaraan ik werkte, bleken thermische storingen de belangrijkste oorzaak te zijn van afwijkingen in de metingen. Sindsdien wilde ik die mechanismen beter begrijpen.”

Technisch directeur Frank Sperling van Nobleo had Houwers al eerder gewezen op cursussen van het High Tech Institute. Houwers heeft eerder cursussen gevolgd zoals ‘Passive Damping for High Tech Systems‘ en ‘Applied Optics‘. De kennis uit beide cursussen kon hij al toepassen in projecten bij klanten. Volgens hem past deze nieuwe training daar perfect bij. “Met deze tool in mijn gereedschapskist heb ik nog meer mogelijkheden om creatieve en slimme ontwerpen voor onze klanten te ontwikkelen.”

Houwers toont een buigmechanisme, een testmonster met viskeus dempingsrubber dat bedoeld was om problematische trillingen te dempen.

De training wordt aanbevolen voor mechatronische ontwerpers die zich richten op toepassingen met hoge precisie. “Zodra je ontwerpt voor nauwkeurigheden beter dan tientallen micrometers, kun je thermische effecten meestal niet meer negeren.” Volgens Houwers is dit vrij nauwkeurig in het veld, maar geen uitzondering. “Ter referentie: machines bij ASML moeten precisie op nanometerniveau halen.”

De cursus sloot goed aan bij zijn achtergrond in dynamica. “Het niveau was precies goed. De docenten, waaronder Theo Ruijl van MI-Partners, legden de theorie helder uit en koppelden het altijd aan echte industriële voorbeelden.”

Thermische effecten begrijpen

De driedaagse cursus bood een duidelijke structuur. De eerste dag richtte zich op de basisprincipes van warmteoverdracht en thermische fysica. Dag twee ging over temperatuurmeting en praktische voorbeelden, en de derde dag ging over temperatuurregeling in systemen. “Thermische systemen lijken eenvoudiger dan dynamische systemen omdat ze geen resonanties hebben,” legt Houwers uit. “Maar als je de regelaar verkeerd afstemt, kun je nog steeds een instabiel systeem krijgen. Met een paar eenvoudige ontwerpregels kun je dat voorkomen.”

Het tempo lag hoog en niet alle opdrachten konden in de beschikbare tijd volledig worden afgerond, maar dat deerde Houwers niet. Het doel van de cursus was immers om in drie dagen zoveel mogelijk kennis op te nemen en dat is gelukt.

Hoewel hij geen directe toepassing heeft voor de kennis die hij heeft opgedaan, ziet Houwers er duidelijk waarde in. “Bij Nobleo werken we voortdurend aan geavanceerde systemen. Vroeg of laat komen die thermische vragen aan de orde. Als dat gebeurt, is het geweldig om de achterliggende fysica echt te begrijpen.”

Denken in frequenties

Het meest waardevolle inzicht dat Houwers uit de cursus haalde, kwam van de frequentiedomeinbenadering van thermische problemen. “Temperatuurschommelingen hebben elk hun eigen frequentie. De dag-nachtcyclus verandert langzaam, de airconditioning gaat misschien elk half uur aan en uit, en voorbijlopende mensen veroorzaken luchtverplaatsingen die in minuten variëren.”

Hoe sterk deze variaties de nauwkeurigheid van een machine beïnvloeden, hangt af van de procesfrequentie en hoe snel de verschillende onderdelen reageren op temperatuurveranderingen. Zware, massieve onderdelen warmen bijvoorbeeld langzamer op dan lichtere onderdelen en materialen met een lage thermische geleidbaarheid zorgen voor een langzame en niet-uniforme opwarming. Als gevolg hiervan resulteert verwarming met een bepaalde frequentie vaak in een niet-synchrone opwarming, waarbij het ene onderdeel uitzet terwijl het andere nog koud is. Dit veroorzaakt vervorming en meetafwijkingen. Door het systeem te modelleren in het frequentiedomein krijgen ingenieurs inzicht in welke temperatuurstoringen van belang zijn voor de vereiste nauwkeurigheid.

Volgens Houwers is deze manier van denken opmerkelijk krachtig. “Je kunt voorspellen hoe warmte zich door een machine verspreidt, hoe snel onderdelen reageren en hoe dat de positionering beïnvloedt. Dit stuurt ontwerpkeuzes in materiaal, constructie en besturingsstrategie.”

Bij Nobleo Technology draait alles om hightech innovatie in de breedste zin van het woord. Het Eindhovense bedrijf is actief in vier complementaire domeinen: Autonomous Systems, Intelligence, Embedded & Electronics en Mechatronic Systems. Het eerste richt zich op autonome voertuigen en robots, terwijl Intelligence slimme algoritmes ontwikkelt, bijvoorbeeld voor beeldherkenning en kwaliteitscontrole. Embedded & Electronics ondersteunt de ontwikkeling van intelligente systemen door het ontwerpen en integreren van hardware, elektronica en embedded software die nauwkeurige besturing en slimme besluitvorming mogelijk maken. Binnen de tak Systems ligt de nadruk op precisie, snelheid en voorspelbare systemen voor de industrie, van complexe chipmachines tot fruitsorteermachines. Wat dat betreft sluit de opleiding goed aan bij Houwers’ carrièrepad in de mechatronica bij Nobleo.

Dit artikel is geschreven door Marleen Dolman, freelancer voor High Tech Systems.