Over het algemeen zijn thermische effecten de oorzaak van 40% van de totale fout van een bewerkingsmachine.

Het werk van Tim Knobloch zou je kunnen omschrijven als het nog preciezer maken van uiterst nauwkeurige freesmachines. Thermische effecten spelen een steeds grotere rol in zijn vakgebied. Daarom volgde hij de training‘Thermische effecten in mechatronische systemen‘.

Kern Microtechnik GmbH bouwt al meer dan zestig jaar ultraprecieze CNC machines in de Zuid-Duitse deelstaat Beieren. Dit doen ze met meer dan 250 mensen, verspreid over de hele wereld. Voor de Duitse specialist is precisie belangrijker dan ooit.

Kern levert precisieproductie in het hoogste marktsegment van nauwkeurigheid. Klanten zijn producenten in de horloge-industrie, medische technologie en halfgeleidermachinebouw.

Binnen het Kern Micro platform ontwikkelen we verschillende machineversies. “We gebruiken hydrostatische lagers, met zeer lage wrijving,” zegt Tim Knobloch, precisie-ingenieur bij Kern Microtechnik. Waar je meestal strepen ziet op gefreesde onderdelen van standaard CNC machines, zijn de oppervlakken van werkstukken van Kern’s machines van spiegelkwaliteit. De machines kunnen onderdelen tot ruwweg 50 kilogram frezen met diameters tot 350 millimeter. Gebruikelijk is 200 millimeter.

Fijnmechanisch ingenieur

Knobloch is precisie-ingenieur, maar hij richt zich vooral op systeemengineering voor precisie. Ik kijk naar kwaliteitsuitdagingen. Onze machines moeten aan zeer hoge eisen voldoen. Daarom testen we intensief om problemen op te sporen en te corrigeren.’

Dat maakt het werk van Knobloch heel breed. Bij Kern werken mijn collega’s van Precisietechniek en ik min of meer als projectingenieurs. We werken op veel gebieden, zoals mechanische constructie, softwareprogrammering, experimenteel testen tijdens het probleemoplossingsproces.’

We bekijken een probleem of kwestie vanuit verschillende invalshoeken en bekijken het hele proces. We ontwerpen en modelleren eerst, daarna maken we prototypes en testen we, en daarna gaan we verder met de daadwerkelijke ontwikkeling en integratie in het platform. Mechanische, software- en elektrotechnische ingenieurs werken in dit proces zij aan zij.

Tim Knobloch van Kern Microtechnik werkt aan freesmachines die ultraprecies frezen, of ze nu in een cleanroom staan of in een ongeconditioneerde ruimte. Foto Kern Microtechnik.

Thermische effecten

Samen met een collega volgde Knobloch de training Thermische effecten in mechatronische systemen aan het High Tech Institute. Die beslissing kwam voort uit het streven van Kern om zijn machines zo nauwkeurig mogelijk te maken en tegelijkertijd fouten te minimaliseren. Tegenwoordig zijn thermische effecten in het algemeen de oorzaak van ongeveer 40 procent van de totale fout van een algemene bewerkingsmachine zoals een freesmachine. Ik heb het over de totale fout van de bewerkingsmachine, de geometrische fout op het werkstuk na bewerking zoals frezen of slijpen. Dat is echt substantieel. Elk onderdeel kan er last van hebben. Omdat we bij Kern veel aandacht besteden aan de koeling van de machine, zitten we misschien beter dan 40 procent, al kan ik je geen exact getal geven.
Soms komt een machine van Kern terecht op een universiteit, waar hij wordt gebruikt in een cleanroom met goede klimaatbeheersing. Maar bij andere klanten kan zo’n machine in een wat meer ongecontroleerde productieomgeving terechtkomen, met sterke temperatuurschommelingen. Om in die onvoorspelbare omgevingen toch nauwkeurig te kunnen verspanen, bouwt Kern speciale onderdelen voor zijn machines, zoals warmtewisselaars. Ook hier komt kennis van thermische effecten van pas. Dat is een belangrijk onderwerp, want we gebruiken olie onder hoge druk. Zo’n wisselaar is een onderdeel dat je niet zomaar bij een ander bedrijf kunt kopen. Ik vond het onder andere interessant om te zien hoe je een warmtewisselaar kunt modelleren zonder heel lange rekentijden.’

Nederland loopt voorop

Duitsland staat natuurlijk bekend als een land van werktuigbouwkunde. Maar volgens Knobloch is het geen toeval dat hij deze opleiding in Nederland heeft gedaan, en niet in zijn eigen land. Nederland en het Verenigd Koninkrijk zijn verder dan Duitsland op het gebied van precisietechniek. Er zijn wel kleinere modules of cursussen die je op universiteiten kunt volgen, maar je kunt het niet echt goed leren. Mijn baas, het hoofd ontwikkeling bij Kern, werkte vroeger toevallig bij Philips. Zo wisten we van het bestaan van het High Tech Institute.’

Efficiënt model

Een belangrijk aspect van de training was het in kaart brengen van thermische effecten en thermische modelleringsmethoden. In de training leren de deelnemers gebruik te maken van zogenaamde modelleren van vaste massa om een goed begrip te krijgen. Met deze methode kun je grofweg de essentie modelleren door middel van massa’s – in thermische context: de thermische capaciteiten – en de warmte-uitwisseling tussen de verschillende onderdelen. In de conceptuele fase is dit een zeer effectief hulpmiddel, want als je nog geen volledig uitgewerkt CAD-model hebt met alle details, kun je helemaal geen gedetailleerd FEM-model maken.

Knobloch: ‘We hebben geleerd om hiermee veel efficiënter te modelleren dan met eindige-elementenmethoden. FEM-berekeningen kosten veel tijd. Ik ben er zelf altijd veel tijd mee kwijt. Klompmassamodellering is vaak veel efficiënter. Simpel gezegd is het voordeel dat je beter moet nadenken over je systeem, over hoe je het terugbrengt tot de essentie. Zo krijg je een beter inzicht in je model, en of er iets mis mee is.

Knobloch was bekend met het modelleren van samengestelde massa. Het is een van de basistechnieken voor modelleren die hij op de universiteit heeft geleerd. Het modelleren van Lumped capacity in de cursus was echter afgestemd op zijn niveau en interesse. Ik had er wel over gelezen, maar het nooit echt uitgeprobeerd. Ik heb ook nooit een cursus over warmtewisseling kunnen volgen op de universiteit. Dus dat deel van het onderwerp was nieuw voor me. Het was niet moeilijk voor mij, want ik heb basiskennis van thermodynamica. Maar ik heb veel nieuwe dingen geleerd over warmte-uitwisseling en hoe je die kunt modelleren.

Knobloch zegt dat kennis van thermische effecten Kern ook helpt bij zijn meest essentiële werk. Een groot deel van de productie-inspanningen bij het bedrijf bestaat uit het maken van een vingerafdruk van de machine na assemblage. Knobloch zegt: “We karakteriseren de machine en compenseren de fouten die er nog in zitten.”

Niet gek

Knobloch over de trainers: ‘Ik heb mijn collega’s geadviseerd om ook deel te nemen aan de training. De trainers waren erg goed. Ze gaven niet alleen les, maar gingen uit van hun eigen praktijkervaringen. Ze koppelden die inzichten aan je eigen achtergrond en situatie. Ze legden niet alleen uit, maar lieten ook zien hoe het moest. Het was alsof je met een collega praatte, niet met een professor aan de universiteit.

Knobloch genoot ook van de interactie met andere stagiairs. Daardoor werd het me duidelijk dat mijn problemen ook bij veel andere bedrijven speelden. Er waren bijvoorbeeld mensen van ASML en Zeiss aanwezig. Zij zijn natuurlijk gespecialiseerd in halfgeleiders of optica, maar het was heel interessant om te zien tegen welke problemen zij aanliepen.’ Hij lacht: ‘Soms leken onze problemen klein vergeleken met die van hen.’

Er ontstond ook een band. Als we met onze leveranciers praten en specifieke eisen stellen aan onderdelen, verklaren ze ons soms voor gek. Soms zeggen ze dat het gewoon niet leverbaar is. Op de training hoorde ik van andere deelnemers dat dit hen ook regelmatig overkomt. Het was fijn om bevestigd te krijgen dat we bij Kern niet gek zijn, ha ha. Het is geruststellend om te weten dat anderen met dezelfde problemen worstelen.’

Dit artikel is geschreven door Tom Cassauwers, technisch redacteur voor High-Tech Systems.