Theo Ruijl - Trainer
In de meeste bedrijven staat thermisch ontwerp en thermisch beheer nog in de kinderschoenen”, zegt Theo Ruijl, CTO van MI-Partners en trainer ‘Thermische effecten in mechatronische systemen’. Ruijl ziet dit als een groot gemis. ‘Je kunt geen nauwkeurige machine bouwen als je de thermische aspecten verwaarloost.’
De grootste fouten in een machine worden veroorzaakt door trillingen en temperatuurschommelingen. Als je beide niet onder controle hebt, kun je een nauwkeurig systeem wel vergeten. Helaas zijn niet alle ontwerpers zich hiervan bewust. Met een bladveer kun je een systeem op een statisch bepaalde manier ondersteunen, maar veel ingenieurs zijn zich niet bewust van het feit dat zo’n bladveer ook een geweldige thermische isolator is. ‘Veel ontwikkelaars missen kennis over thermische effecten in mechatronische systemen’, zegt Theo Ruijl, CTO van MI-Partners en trainer van de cursus ‘Thermische effecten in mechatronische systemen‘ (TEMS).
In de Nederlandse en Belgische hightech is veel kennis aanwezig over dynamica, over goed ontwerp, over demping. Generaties werktuigbouwkundigen zijn immers opgegroeid met de constructieprincipes van grote leermeesters als Rien Koster en Wim van der Hoek en het Des Duivels Prentenboek. Maar in de meeste bedrijven komt thermisch management nog steeds niet goed aan bod.
Elke ingenieur die een hoge nauwkeurigheid wil bereiken, krijgt vroeg of laat te maken met thermische effecten”, zegt Theo Ruijl. Ruijl houdt zich al twee decennia bezig met thermische effecten in mechatronische systemen. Temperatuurvariaties, drift, dissipatie in een actuator, energieabsorptie van elektromagnetische golven in een lens of spiegel: al deze zaken hebben invloed op de prestaties van een systeem. Je kunt ze natuurlijk negeren en dan kan het een tijdje goed gaan. Maar als er plotseling een concurrent opduikt die goede kennis heeft van thermische aspecten, zal hij je inhalen en ver achter zich laten.
De technische universiteiten produceren uitstekende afgestudeerden en postdoctoraalstudenten in dynamica en regeltechniek, maar ze leiden geen studenten op in de thermische effecten in mechatronische systemen,” zegt Theo Ruijl, trainer thermische effecten.
In de hightechindustrie worstelen ontwikkelaars met thermische vervormingen en onnauwkeurigheden. Bij ASML zijn deze uitdagingen momenteel groter dan de dynamische,” zegt Ruijl. Er wordt enorm veel licht in deze machines gepompt. Het is onvermijdelijk dat de wafer daardoor opwarmt en vervormt. Als dat mooi gelijkmatig gebeurt, dan kun je het nog simuleren en voorspellen. Helaas treden er allerlei niet-lineaire effecten op. Dan wordt modelleren en compenseren heel moeilijk.
Ook Thermo Fisher belicht het onderwerp. Ruijl: ‘Veel gebruikers van elektronenmicroscopen zitten in de life sciences. Zij onderzoeken biologische processen die ze letterlijk bevriezen om ze goed te kunnen bestuderen. Dat betekent oplossen in water en het water afkoelen tot het vriespunt. Het ijs moet amorf zijn, niet kristallijn, want anders kun je niets zien onder de microscoop. Zo’n structuur krijg je alleen als je het monster razendsnel afkoelt, met 100.000 tot een miljoen Kelvin per seconde. Dan moet het bevroren monster onder de microscoop worden bekeken. De voorbereiding en plaatsing vormen een enorme thermische uitdaging. Hoe houd je het monster op de juiste temperatuur in hoog vacuüm? En wat voor effect heeft dat op de gevoelige optische en mechatronische systemen eromheen?
Het grote verlies
Dat veel bedrijven nog steeds geen diepgaande thermische kennis hebben, komt grotendeels doordat er iets ontbreekt in het onderwijs. De technische universiteiten leveren uitstekende afgestudeerden en postdoctoralen af in dynamica en regeltechniek, maar ze geven geen les in de thermische effecten in mechatronische systemen’, zegt Ruijl stellig. Zelf studeerde hij bij TUE-hoogleraar Piet Schellekens. Sinds Piet Schellekens vijftien jaar geleden met pensioen ging, zijn thermisch ontwerp en metrologie verwaarloosd. Niemand heeft deze onderwerpen serieus genomen, ook niet in Delft of Twente. Dat is een groot gemis. Er zijn zoveel fundamentele uitdagingen op dit gebied. Daar is echt een fulltime hoogleraar voor nodig.
Met de komst van Hans Vermeulen een paar jaar geleden is er een deeltijdhoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven die het onderwerp op de agenda heeft gezet. Voor zijn groep Mechatronic Systems Design is geavanceerde thermische controle echter een van de vele onderwerpen. Een groot deel van de vaste staf van Schellekens is inmiddels vertrokken. ‘In Duitsland staat het onderwerp meer op de kaart’, zegt Ruijl. ‘Er is een grote markt voor bewerkingsmachines waarin thermische effecten een grote rol spelen. Duitse machinebouwers en kennisinstellingen begrijpen elkaar op dit punt goed. Bij de Fraunhofer instituten lopen verschillende onderzoeksprojecten. Ook in Zwitserland en Spanje lopen TEMS-onderzoeksprogramma’s.’
Recycling
Ondanks het verschil in universitaire opleiding zijn er heel wat thermische specialisten in de industrie. Het zijn allemaal selfmade mensen die het vak in de praktijk hebben geleerd. Voor Ruijl begon dat proces bijna twintig jaar geleden bij Philips. ‘We weten al heel lang precies hoe we dynamica en regeltechniek kunnen modelleren en integreren in machines. In een typisch ontwerpproces zitten verschillende specialisten aan tafel, zodat je met input van alle disciplines een machine kunt ontwikkelen. Vroeger gebeurde het bij Philips wel eens dat iemand er aan het eind van zo’n proces met een ingewikkelde eindige-elementen som achter kwam dat het thermisch niet werkte. Daarom zijn we een competentie op dit gebied gaan ontwikkelen met focus op mechatronische systemen.’
Om thermische effecten te berekenen gebruiken ingenieurs wiskundige technieken uit de dynamica. Dit resulteerde in het concept van thermische modusvormen.
Vanaf het begin ontdekten de specialisten dat de technieken die ze al toepasten in de dynamica ook gebruikt kunnen worden in het thermische domein. In de dynamica en regeltechniek gebruiken we toestandsruimtemodellen en hun Eigen-frequenties en modusvormen zijn belangrijke grootheden,” legt Ruijl uit. Zo’n model is niets meer dan een verzameling differentiaalvergelijkingen. Thermische effecten worden ook beschreven met differentiaalvergelijkingen. En voor de wiskunde maakt het niet uit of je door een mechanisch-dynamisch of een thermisch-dynamisch systeem gaat.’
Het is niet precies hetzelfde. In het thermische domein zijn er geen objecten die zich gedragen als een massa-veersysteem; de temperatuur schiet niet door, maar gaat geleidelijk terug, zoals bij een eerste orde systeem. Zoals een metalen plaat, als je die in het midden verwarmt zal hij afkoelen zodra je de warmtebron weghaalt. Maar het wordt nooit kouder dan de omgeving. De temperatuurverdeling, als functie van de tijd, kan perfect gemodelleerd worden.
'It is quite unique how we, here in the Netherlands, look at thermal effects from a mechatronic design approach.'
Ruijl en zijn collega’s hebben de wiskundige technieken uit de dynamica gerecycled. ‘We gebruiken nog steeds tools van bijvoorbeeld Ansys of Mathworks om de berekeningen uit te voeren. De analyses van mechanische trillingsvormen zitten al lang in die pakketten. De thermische vormen niet, ook al is de technologie er al. Toen we zo’n twintig jaar geleden begonnen, hebben we Ansys gevraagd of ze ons toegang konden geven tot deze functie. Het heeft lang geduurd, maar nu hebben ze er een knop voor opgenomen. Dat laat zien dat het vrij uniek is hoe wij hier in Nederland naar thermische effecten kijken vanuit een mechatronische ontwerpbenadering. Het is echt anders dan een puur natuurkundige benadering waarbij het vaak gaat om thermodynamische processen. Wij koppelen thermische effecten aan mechatronische systemen.’
Bewust onbekwaam
Om het thema vast te leggen in de manier van werken van zijn medewerkers, ontwikkelde Philips een speciale training: Thermische effecten in mechatronische systemen. De driedaagse cursus heeft inmiddels onderdak gevonden bij Mechatronics Academy en wordt op de markt gebracht door High Tech Institute. Naast Rob van Gils (Philips), Marco Koevoets (ASML) en Jack van der Sanden (ASML) is Theo Ruijl een van de trainers.
Natuurlijk kun je niet in drie dagen een volledige training geven waarin alle onderwerpen aan bod komen,” geeft Ruijl toe. Daarvoor is het publiek te breed; er komen mensen met verschillende technische achtergronden naar de training. Sommigen hebben nog nooit iets met TEMS gedaan, anderen zijn al behoorlijk ervaren. Sommigen zijn ingenieurs, anderen besturingstechnici.’
Nederlandse specialisten bekijken thermische effecten vanuit een mechatronische ontwerpbenadering. Dat is uniek in de wereld. Voor Ruijl begon dat jaren geleden met zijn promotieonderzoek onder begeleiding van Jan van Eijk en Piet Schellekens.
Op de eerste dag krijgen de studenten een inleiding in de natuurkundige achtergrond. Warmteoverdracht als straling, geleiding, convectie,’ somt Ruijl op. ‘Hoe ga je ermee om? Veel weetjes, tips en trucs. Daarna gaan we dieper; en doen we simulaties met Matlab en Simulink.’ Dan is de basis gelegd. ‘Het doel is dat iedereen daarna dezelfde taal spreekt.’
Dag twee gaat over meettechnieken. Temperatuur meten is een vak apart,” benadrukt Ruijl. Er zijn in ieder geval veel verschillende soorten sensoren. Maar hoe meet je nauwkeurig? En waar? En meet ik de temperatuur van het object zelf of van de lamp die erop schijnt? Samen met Jack heb ik ooit een systeem ontwikkeld om de watertemperatuur nauwkeurig te regelen. Met een spoeltje in de stroom konden we het heel snel en heel nauwkeurig opwarmen. Daarna maakten we een mooie opstelling voor een tentoonstelling, met mooie perspex buizen zodat alles heel goed te zien was. Helaas lukte het ons niet meer om de temperatuur stabiel te krijgen. We moeten iets verkeerd hebben gedaan, maar wat? Het was zo erg dat de temperatuur schommelde als er mensen langskwamen. Uiteindelijk beïnvloedde de plafondverlichting in de hal de sensor door straling door het transparante plexiglas. Zo’n fout maak je maar één keer,” lacht Ruijl.
De studenten zullen zelf ook modelleren. Met behulp van Matlab, hoewel deze specifieke tool geen speciale toolbox voor thermische effecten heeft. Ruijl: “Als praktijkcase behandelen we ook een cryogeen voorbeeld. Hoe meet je bijvoorbeeld 77 Kelvin? Welke materialen kun je het beste gebruiken? Cryogeen is belangrijk voor wetenschappelijke experimenten en bouwers van elektronenmicroscopen.’
'Every design group should include a thermal specialist.'
Wat is de les voor de TEMS-studenten? Het belangrijkste is dat ze de taal begrijpen”, antwoordt Ruijl. ‘Daarnaast maken we ze bewust van de zaken waar ze op moeten letten en waar ze rekening mee moeten houden. Bewust onbekwaam. Dat is heel waardevol, want fabrikanten met die kennis kunnen fouten in een vroeg stadium opvangen door nog eens goed naar het project te kijken of er een specialist bij te halen. In elke ontwerpgroep zou altijd een thermische specialist moeten zitten.
Dit artikel is geschreven door Alexander Pil, technisch redacteur van High-Tech Systemen.
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.
High Tech Institute organiseert twee keer per jaar de training 'Thermische effecten in mechatronische systemen'. Daarnaast is het beschikbaar voor in-company trainingen.
Blijf op de hoogte
Ontvang onze maandelijkse updates
