Lagers dragen bij aan nauwkeurigheid en systeemgedrag

Gepubliceerd op: 24 oktober 2023

Expert:

Dr.ir. Marc Vermeulen

Trainer

Lees meer over Marc Vermeulen

Deel

---

Bij het ontwerpen van een mechatronisch systeem krijgt de bediening vaak de meeste aandacht. Maar de lagering is net zo bepalend voor de nauwkeurigheid en het gedrag van het systeem. Hans van de Rijdt en Marc Vermeulen ontwikkelen daarom een nieuwe training voor Mechatronica Academie die gepland staat bij High Tech Institute in maart 2024: ‘Bearing principles for precision motion‘.

In de machinebouw is er een ruime keuze aan lagers, van glij-, rol- en luchtlagers tot hydraulische, elastische en magnetische lagers. Keuzestress ligt dus op de loer. Dat heeft echter niet verhinderd dat lagertechnologie de laatste decennia wat onderbelicht is geraakt in de hightechwereld.

Marc Vermeulen, werkzaam als principal mechanical system architect bij ASML, heeft hier wel een verklaring voor. “In de mechatronica hebben we het vaak over de actuated direction, waarbij je met een aandrijving en een meetsysteem een bepaalde nauwkeurigheid moet bereiken.”

De richting loodrecht op de aangedreven richting is echter net zo belangrijk. “Dan heb je het over de vrijheidsgraden die je niet bedient. Die moet je dus beperken en hoe doe je dat? Want dat bepaalt uiteindelijk voor een groot deel de nauwkeurigheid en het gedrag van het hele systeem. De lagers zijn daar inderdaad belangrijk voor.”

Ten minste drie fouten

In zijn werk als zelfstandig adviseur in de hightech industrie komt Hans van de Rijdt regelmatig tegen dat bepaalde lagerprincipes over het hoofd worden gezien of dat valkuilen niet worden vermeden. Samen met Vermeulen ontwikkelde hij de training Bearing Solutions die binnenkort van start gaat bij High Tech Institute. Van de Rijdt: “Het gebeurde onlangs tijdens een review van een groot project, waaraan 140 mensen werkten. Dan zou je verwachten dat er genoeg zijn die iets van lagers weten. Toch zag ik minstens drie fouten in de toepassing van lagers.”

Het was een ontwerp waarbij het lager een heel kleine hoekbeweging maakt. “Dat lager kan vastlopen omdat het smeermiddel niet goed verdeeld is. Daar was geen rekening mee gehouden. Ook was er een verkeerde kogelkooi gebruikt, waardoor het vereiste aantal slagen niet gehaald zou worden. Lagerleveranciers vertellen je dat soort dingen vaak niet. Als je belt, krijg je de verkoper die het ook niet weet en het is heel moeilijk om contact te krijgen met de monteur.”

Hans van de Rijdt (links) en Marc Vermeulen (rechts).

Van prestaties en levensduur tot geluidsoverlast en levertijd

Bij de keuze voor een bepaald lagertype spelen veel factoren een rol. In de eerste plaats de prestaties – denk aan nauwkeurigheid, snelheid en versnelling – en de levensduur, die negatief beïnvloed kan worden door wrijving en slijtage. Een luchtlager scoort hoog op beide, maar minder op de kosten. Een luchttoevoer moet bijvoorbeeld worden geïntegreerd in het systeemontwerp.

Afhankelijk van de toepassing kunnen andere factoren een rol spelen. Een goed voorbeeld is het welzijn van de patiënt. Dat is bijvoorbeeld het geval bij CT-scanners, waarbij een gelagerde röntgenbuis in een cirkelvormig portaal rond de patiënt draait. Bij Philips was zo’n scanner altijd uitgerust met een rollager, herinnert Van de Rijdt zich, maar op een gegeven moment zijn ze overgestapt op een groot luchtlager. “Dat was omwille van de prestaties, maar vooral om de geluidsoverlast van het lager te verminderen.”

Bij grove toepassingen kan de keuze van het lager ook cruciaal zijn. Van de Rijdt vertelt over een grote offshore kraan met een ringlager van 8 meter doorsnede. “De doorlooptijd voor het maken van dat grote ringlager was anderhalf jaar, omdat het natuurlijk niet op voorraad was in de fabriek. Daarom keken ze naar een glijlager als alternatief, dat veel gunstiger zou zijn qua doorlooptijd. Ik heb er toen een complete studie van gemaakt. Uiteindelijk viel dat alternatief af omdat het stick-slip gedrag van het glijlager met zo’n grote diameter een te grote impact had op de bediening door de kraanmachinist.”

Ingesleten patronen en nieuwe competenties

Naast een rationele onderbouwing heeft de keuze voor lagers vaak ook te maken met ingesleten patronen, zegt Vermeulen. Plaatsingsmachines gebruiken bijvoorbeeld uit kostenoverwegingen rollagers en geen luchtlagers. In lithografiemachines worden daarentegen geen rollagers gebruikt, omdat smering en slijtage vervuiling kunnen veroorzaken. “Niet geschikt in een halfgeleiderfabriek; dat is een soort dogma voor veel fabrikanten.” De vraag of luchtlagers uit kostenoverwegingen nog vervangen kunnen worden door rollagers komt echter regelmatig terug.

Van de Rijdt werd er onlangs weer mee geconfronteerd. “Ik kon gewoon teruggrijpen op mijn rapport van twaalf jaar geleden. Voor sommige toepassingen zijn de prestaties van kogellagers voldoende en dan is de toepassing ervan kosteneffectiever. Ik heb gewoon getest waar mensen bang voor waren. Je kunt de vervuiling netjes onder controle houden door ervoor te zorgen dat de lagers in een downflow onder de wafer zitten.”

Ondertussen gaat het wel vooruit, ziet Vermeulen bij ASML. “Allerlei tests met smeermiddelen en metingen van stijfheid en wrijving zijn nu aan de gang voor bijvoorbeeld rollagers. We hadden natuurlijk al de competenties voor luchtlagers, magneetlagers en ook elastische lagers (bladveergeleidingen zijn een populaire lageroplossing voor podia met korte slagen, omdat ze nauwkeurig, spelingvrij en wrijvingsloos zijn, red.). Nu wordt er dus ook een bepaalde competentie opgebouwd voor rollagers.”

Vermijd overdimensionering

Dat brede scala aan competenties is belangrijk, zegt Vermeulen. “Bladveergeleiders zijn voor ons een beetje vanzelfsprekend geworden. Je kunt ze uit één stuk maken, monolithisch, met draadvonkmachines. Op een gegeven moment kun je niet meer stoppen met het toevoegen van complexiteit en kosten. Better safe than sorry’ wordt dan het motto, ‘laten we het zo doen, dan weten we zeker dat het goed is’. Maar je moet ook rekening houden met het kostenaspect; dat wordt steeds belangrijker.”

Van de Rijdt is het daarmee eens: “Als iets nanometer-nauwkeurig moet zijn, dan zijn monolithisch en draadvonkmachines voldoende. Zodra je buiten dat bereik komt en alleen nog maar over micrometers praat, hoeft het niet meer monolithisch te zijn. Ik heb bijvoorbeeld focusmodules ontworpen voor verschillende toepassingen, met exact dezelfde specificaties. Er was een factor tien prijsverschil, puur door het gekozen ontwerp voor de geleider.” Vermeulen: “Het begint dus met de aannames waarop je een apparaat ontwerpt. Hetzelfde geldt voor de lagers. Overdimensioneren en dat voorkomen zou hier een rode draad moeten zijn.” Zo kan meer aandacht voor lagers leiden tot minder complexiteit en kosten.

Oplossingen en toepassingen

De nieuwe training heet Bearing principles for precision motion. Dat is een bewuste keuze, zegt Hans van de Rijdt. “Het gaat over oplossingen voor concrete lagerproblemen, over toepassingen van verschillende soorten lagers. We duiken niet heel diep in bijvoorbeeld de tribologische aspecten, maar het gaat veel meer over wanneer je welk type kunt gebruiken en waar je rekening mee moet houden. Het beste is om er uit eigen ervaring over te vertellen.”

Marc Vermeulen geeft inzicht in de werking van een lager. “Veel mensen weten bijvoorbeeld niet dat je een luchtlager kunt trekken als je het voorspant. Dus bijvoorbeeld de fundamentele vraag wat een lager stijfheid geeft, komt aan bod. Maar we gaan het inderdaad niet hebben over de differentiaalvergelijkingen die de bewegingen in een lager beschrijven.”

Want daar ligt het probleem in de praktijk meestal niet, voegt Van de Rijdt toe. “Veel mensen zijn analytisch heel sterk, maar ze moeten een ontwerp hebben om berekeningen over te maken. Ik merk vaak, niet alleen bij lagers maar in de hele systeemomvang, dat ontwerpers en architecten moeite hebben om de eerste regels van een ontwerp op papier te zetten. Als je een eerste schatting wilt maken voor een lager om te bepalen of het de vereiste prestaties en levensduur kan halen, moet je er eerst een ontwerp voor maken. Het doorlopen van die iteraties is iets waar ik mensen mee wil helpen.”

De training is bedoeld voor ontwerpers en architecten die in hun ontwerpen regelmatig een lagertype moeten kiezen. Ze moeten dan een afweging maken en de toepassing van het gekozen lager optimaliseren. Dit is ook waar regeltechniek om de hoek komt kijken, bijvoorbeeld bij magnetische lagers. Denk maar aan de ‘vliegende tapijten’ in de ASML machines die een wafer continu razendsnel moeten positioneren. Vermeulen “Die moeten inderdaad zorgvuldig gecontroleerd worden, maar dat is niet de scope van onze opleiding; die is niet bedoeld voor regeltechnici.” Wel zullen er wat “basisberekeningen” worden gemaakt om de bandbreedte en stijfheid van de besturing te bepalen, voegt Van de Rijdt toe. “We willen de ontwerper en de systeemarchitect hier inzicht in geven.”

Architecten Vermeulen en Van de Rijdt vormen docentenduo

Hans van de Rijdt en Marc Vermeulen studeerden allebei Werktuigbouwkunde in Eindhoven, respectievelijk aan de Hogeschool en de Technische Universiteit (TUE). Ze deden allebei een opdracht die aansloot bij de Nederlandse school van ontwerpprincipes voor precieze beweging en positionering. Ze waren collega’s bij het roemruchte Philips CFT en werkten samen bij ASML aan waferstadia, Van de Rijdt op tijdelijke basis en Vermeulen in loondienst. Dit jaar zijn ze op verzoek van de Mechatronica Academie samen een training lagertechniek gaan ontwikkelen. Vanaf volgend jaar gaan ze die opleiding verzorgen, samen met ASML-medewerker en TUE deeltijdhoogleraar Hans Vermeulen (inderdaad, de broer van).

Van de Rijdt werkte lange tijd voor Philips CFT en is nu vijftien jaar als zelfstandig professional actief voor de bekende spelers in de Nederlandse hightech, van Philips en ASML tot Nexperia. Hij vervulde rollen als design engineer, lead design engineer, groepsleider en afdelingsleider. “Uiteindelijk heb ik besloten dat engineering het meest de moeite waard is om te doen en dat de rol van systeemarchitect bij mij past.” In 2019 ontving hij de Rien Koster award van DSPE (Dutch Society for Precision Engineering) voor zijn prestaties als ontwikkelaar van multidisciplinaire, eenvoudige concepten voor complexe hightech systemen die goed scoren op maakbaarheid en kosten.

Vermeulen promoveerde aan de TUE op het ontwerp van een 3D-coördinatenmeetmachine, die later werd gecommercialiseerd door Zeiss. Daarna ging hij naar Philips CFT. Hij wilde eerst voor verschillende klanten en toepassingen werken voordat hij zich op ASML richtte vanwege zijn fascinatie voor de werking van lithografiemachines. In 2007 trad hij in dienst bij het bedrijf in Veldhoven als architect voor modules van DUV-systemen. Onlangs werd hij de mechanische architect voor het systeem dat tindruppels onder hoge druk levert voor het genereren van EUV-licht.

Zijn eerste leservaring deed Van de Rijdt 25 jaar geleden op, toen de vooraanstaande bedrijven in het vakgebied begonnen met een masterclass Mechatronica. “Ik heb daar toen een boekje voor geschreven, Constructeursweetjes (Dingen die een ontwerper moet weten). Dingen die ik in mijn eerste tien jaar werk had meegemaakt en die je normaal gesproken niet op school leert, maar die voor een ontwerper wel heel handig zijn om te weten. Bijvoorbeeld waar je rekening mee moet houden met betrekking tot toleranties bij het frezen? Of wat je kunt verwachten als je een materiaal gaat lassen. Dus niet de ontwerpprincipes, maar vooral praktische aspecten met betrekking tot maakbaarheid. Ik heb dat onderwezen in de masterclass en lagers was een van de modules die daarin aan bod kwam.”

Vermeulen heeft ook een lange geschiedenis als docent, bij TUE en Philips, met name op het gebied van ontwerpprincipes. “En ik draag al een aantal jaren bij aan de architectentraining binnen ASML. Als systeemarchitect moet je sowieso een soort leraar zijn. Betrek je mensen bij het maken van keuzes en leg deze zo uit dat ze het begrijpen.” Sinds kort werkt hij ook mee aan de trainingen Mechatronica Systeemontwerp en Ontwerpprincipes voor Precisietechniek van Mechatronica Academie. Bearing principles for precision motion is de eerste die hij zelf ontwikkelt, samen met Van de Rijdt. “Onze eerdere samenwerkingen waren altijd leuk; we vullen elkaar goed aan.”

Dit artikel is geschreven door Hans van Eerden, freelancer voor High-Tech Systems.