Passieve demping: steeds meer onderdeel van de standaardtoolset van hightech ingenieurs

Gepubliceerd op: 05 december 2018

Auteur:

René Raaijmakers

Technisch schrijver, auteur, algemeen directeur

Lees meer over René Raaijmakers

Expert:

Dr. Kees Verbaan

Trainer

Lees meer over Kees Verbaan

Deel

---

Passieve demping is al geruime tijd een standaard hulpmiddel voor civiel ingenieurs en architecten. Werktuigbouwkundig ingenieurs, die ontwerpen voor micron nauwkeurigheid, probeerden echter meestal het gebruik van demping te vermijden. Nu de hightech wereld het domein van sub-nanometerprecisie heeft betreden, ontdekken werktuigbouwkundigen steeds meer dat passieve demping een effectief medicijn is tegen hedendaagse precisiekwalen.

Passieve demping wordt de laatste jaren steeds meer een standaardgereedschap voor fijnmechanische ingenieurs. Het is geen toeval dat de vijfdaagse training Design Principles for Precision Engineering een hele dag aan dit onderwerp wijdt. Vanwege het toenemende belang van passieve demping voor systemen met subnanometerpositievereisten heeft High Tech Institute-partner Mechatronics Academy een speciale training over dit onderwerp ontwikkeld. Top experts Hans Vermeulen en Kees Verbaan geven deze nieuwe cursus Passieve demping voor high tech systemen.

Hans Vermeulen kwam eind jaren negentig voor het eerst in aanraking met passieve demping bij Philips CFT. Sinds medio 2000 werkt hij bij ASML, waar deze technologie inmiddels in diverse subsystemen is geïmplementeerd om precisie op sub-nanometer-niveau te bereiken. Daarnaast is hij een dag per week parttime hoogleraar aan de TU Eindhoven. Ongehinderd door de dagelijkse hectiek in Veldhoven kan Vermeulen zich onder andere richten op passieve demping. Het feit dat zijn colleges op dit gebied al enkele jaren geleden zijn begonnen, laat zien dat passieve demping erg in de belangstelling staat.

Hans Vermeulen vertelt dat ASML steeds meer passieve demping gebruikt om sub-nanometerprecisie te bereiken.

Collega-opleider Kees Verbaan promoveerde in 2015 op robuuste massadempers voor bewegingstrappen. Hij werkt voor de NTS Group, een eersterangsleverancier voor hightech machineontwerp. In zijn rol als systeemarchitect ziet Verbaan passieve dempingstechnologie ingeburgerd raken in veel high-end bedrijven.

Systeemarchitect Kees Verbaan, die promoveerde op robuuste massadempers, ziet zijn vakgebied nu goed ingeburgerd raken.

In de wereld van grove afmetingen (centimeters in plaats van nanometers) kom je passieve demping overal tegen. Leg je vinger op een trillende stemvork of spijker een groot tapijt aan de muur en je past al snel passieve demping toe. De auto-industrie past het vaak toe op autodeuren. Een laag anti-kloplaag zorgt voor een goede geluidservaring. Als je de deur sluit, hoor je het plaatwerk niet hinderlijk resoneren: de dempingslaag zorgt voor het zachte geluid dat we associëren met kwaliteit. De energie blijft niet als een continue trilling in het materiaal zitten, maar wordt via een laag bitumen aan de binnenkant van de deur omgezet in warmte. Een vrij extreem voorbeeld van een passief dempend ontwerp is te vinden in Taipei 101, het hoogste gebouw in de gelijknamige Taiwanese hoofdstad. Omdat aardbevingen en tyfoons vrij vaak voorkomen, is het 101 verdiepingen tellende gebouw uitgerust met een getunede massademper, een enorme bolvormige massa van meer dan achthonderd ton die aan vier touwen boven aan het gebouw hangt en voorzien is van grote viscosedempers. Bij trillingen door aardbevingen of zware stormen beweegt de bol uit fase, waardoor een groot deel van de kinetische energie van het gebouw wordt geabsorbeerd.’Soortgelijke technieken doen nu ook hun intrede in de hightech’, zegt Hans Vermeulen. ‘De afgelopen jaren zijn dempingslagen – zogenaamde constrained layers – toegepast in hoogprecieze fasen en worden getunede massadempers gebruikt om storende trillingen bij specifieke frequenties te onderdrukken en zo de nauwkeurigheid van het hele systeem te vergroten.’

In de hightech machinebouw is de toepassing van passieve demping lange tijd vermeden en omzeild. Dit is voornamelijk te wijten aan het feit dat ontwerpers hun doelen konden bereiken (en vaak nog steeds kunnen bereiken) met de traditionele benadering van het gebruik van relatief stijve structuren in metaal of keramiek en metalen veren om voorspelbaar gedrag te krijgen.

Kunststoffen, rubber en composieten

Hoewel het gebruik van kunststoffen, rubber en composieten ongewenste trillingen aanzienlijk kan verminderen, is de toepassing nooit zo populair geweest, omdat het hysteretische gedrag van deze materialen precisiesystemen mogelijk onvoorspelbaar maakt. Een andere reden is dat analytische hulpmiddelen zoals eindige-elementenanalyse en de benodigde computers lange tijd niet over voldoende rekenkracht beschikten om het complexe gedrag te berekenen dat nodig is om de invloed van passieve demping in constructies van exotische materialen goed te voorspellen. De laatste jaren is daar echter verandering in gekomen.

Het is misschien een waarheid als een koe: in de wereld van hightechsystemen worden steeds hogere eisen gesteld aan precisie. Fabrikanten van halfgeleiders willen lithografische machines die op betrouwbare wijze patronen kunnen maken met een precisie op sub-nanometerniveau. Biotechnologen hebben microscopen nodig waarmee DNA-structuren op atomair niveau in beeld kunnen worden gebracht en medische professionals vertrouwen op diagnostische apparatuur met, indien mogelijk, moleculaire resolutie. In alle sectoren stijgen de eisen, zodanig dat mechanisch ontwerpers en architecten niet langer kunnen vertrouwen op hun standaard gereedschapsset.

Het blijkt dat passieve demping hier een zeer belangrijke bijdrage kan leveren. De aanpak heeft zijn effectiviteit bewezen, ook in de hightech apparatuur. Het leuke van demping is dat er een hele nieuwe trukendoos wordt gebruikt”, zegt Verbaan. Precisietechnici hebben echt baat bij een paar extra stukken op hun schaakbord. Dat vind ik leuk, want in de traditionele gereedschapskist van een fabrikant zaten maar drie volle lades. Nu blijken dat er nog drie te zijn en die zitten vol met nieuwe soorten gereedschap die hij eerder niet gebruikte.’ Hij benadrukt dat demping een uitbreiding is van de oplossingsruimte, geen vervanging. ‘Als je het traditionele ontwerp niet beheerst, zullen de toevoegingen je niet veel opleveren.’

Toen de eisen minder veeleisend waren, waren ontwerpers gewend aan de voorspelbare oplossingsruimte die bestond uit massa’s en veren”, zegt Vermeulen. In traditioneel ontwerp heb je te maken met lineaire relaties, zoals relaties tussen kracht en positie of spanning en rek. Om het negatieve effect van versterkingen bij resonantie te beperken, zorgen ontwerpers ervoor dat de natuurlijke frequenties in het systeem hoog genoeg zijn. Dat vertaalt zich in lichte en stijve ontwerpen, waarbij gebruik wordt gemaakt van oplossingen met een lage massa en zeer stijve materialen en geometrieën. ‘

Monolithische bladveer

De wet van Hooke stelt een lineair verband tussen kracht en positie of spanning en rek voor lineair elastische materialen. Dit betekent dat een elastisch materiaal precies terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie, wat mooi is, want zolang je de krachten kent die op het systeem werken, kun je de positie nauwkeurig voorspellen. Neem het voorbeeld van een monolithische bladveer, een massief blok metaal dat met gaten en gleuven is bewerkt tot een mechanisme op basis van massa’s en veren. Een dergelijke structuur vertoont reproduceerbaar lineair gedrag, vrij van hysteresis. Vanuit het oogpunt van besturing kan deze benadering echter problemen opleveren als een hogere nauwkeurigheid vereist is.

Typische constructie met geïntegreerde, getunede massademping. Foto: Janssen Precision Engineering.

Voorbeeld van een monolithische bladveer. Een massief blok metaal wordt met gaten en sleuven bewerkt tot een mechanisme op basis van massa’s en veren. Een dergelijke structuur vertoont reproduceerbaar lineair gedrag maar heeft als nadeel dat het ‘klinkt als een klok’.

In dit type ontwerp heeft het besturingssysteem last van langdurige trillingen. Resonanties kunnen worden opgewekt door krachten in het systeem zelf, zoals opgelegde bewegingsprofielen, maar ook door invloeden van buitenaf, bijvoorbeeld vloertrillingen of luchtverplaatsing. Zonder demping blijven deze trillingen lang in het systeem aanwezig. De trilling kan de trillingsenergie niet kwijt.

Werktuigbouwkundigen hebben de neiging om te zeggen: “het klinkt als een klok”, en in dit geval is dat geen positieve opmerking. Hoogfrequente resonanties zijn over het algemeen moeilijk weg te krijgen via actieve regeling. Daarom proberen systeemontwerpers er altijd voor te zorgen dat dit soort resonanties buiten het interessegebied vallen. Dit betekent dat de eerste natuurlijke frequentie meestal ruwweg vijf keer boven de bandbreedte wordt ontworpen. Het regelsysteem wordt dus niet beïnvloed in het lagere frequentiebereik. Trillingen veroorzaakt door storingen treden wel op, maar het effect beperkt de prestaties niet.

Als de eisen voor nauwkeurigheid echter toenemen, zullen ontwerpers die de traditionele aanpak gebruiken, gedwongen worden om hogere eigenfrequenties in het ontwerp te bereiken. De eisen worden steeds hoger”, zegt programmamanager Adrian Rankers van Mechatronics Academy. ‘Daar komt een einde aan, want het is niet meer maakbaar.’

Aversie

De traditionele aanpak volstond jarenlang voor hightech systeemontwerpers. Maar in hun zoektocht naar steeds meer precisie kijken alle high-end systeemleveranciers nu naar de mogelijkheden om passieve demping te implementeren. Vermeulen: ‘Ik durf te zeggen dat het de standaard wordt in de hightech systeemindustrie. Niet iedereen is ermee bekend, maar het breidt zich uit.’ Verbaan: ‘De grote spelers zoals ASML, Philips, TNO en ThermoFisher hebben de tijd om hun kennis te ontwikkelen en onderzoek te doen.’

Vermeulen: `Demping betekent dat je afwijkt van het lineaire elastische gedrag van materialen zoals gedefinieerd door de wet van Hooke. Dit komt doordat het materiaal een deel van de energie omzet in warmte. Als je kracht uitzet tegen rek in een grafiek, wordt de dissipatie uitgedrukt in de hysteresislus. De oppervlakte van deze lus is evenredig met de gedissipeerde energie: de demping die je aan de constructie kunt geven.’Bovendien zijn de stijfheid en dempingseigenschappen van rubber temperatuur- en frequentieafhankelijk (voor specialisten: voor rubbers kunnen lineaire visco-elastische modellen worden gebruikt). Daardoor zijn dit soort dempingsmaterialen lange tijd vermeden: een systeem kan verschillende toestanden hebben onder dezelfde belastingscondities. Vermeulen: “Dat betekent onzekerheid in de positie. Precisie-ingenieurs hebben daar een afkeer van. ‘Met demping wijk je af van de lineaire relatie. Je gaat door een hysteresislus als de kracht toeneemt en weer afneemt, en je weet niet precies hoe omdat niet alle krachten die het systeem beïnvloeden precies bekend zijn. Vaak zijn er verstoringen van buitenaf en dan kun je in een positie terechtkomen die van tevoren niet was voorspeld. We hebben eigenlijk lang geprobeerd om die onzekerheid te vermijden. Als gevolg daarvan heeft iedereen in de hightech systeemsector demping vermeden en dingen traditioneel ontworpen met behulp van massa’s en veren. Maar op een gegeven moment komt er een einde aan de mogelijkheden.

Venijn

Het gif zit echter in de bovengenoemde hysteresislus. Het is ingewikkelder om het gedrag correct te voorspellen, omdat het systeem zich in verschillende toestanden kan bevinden, zoals hierboven vermeld. Dit betekent dat de bediening en besturing complex is in omgevingen waar vloertrillingen en kleine variaties in luchtdruk of temperatuur grote verstoringen veroorzaken. Een zachte uitademing over een waferpodium zorgt al voor een staande golf met een amplitude van enkele tientallen nanometers, terwijl de podia op sub-nanometerniveau moeten worden bestuurd.De afgelopen decennia is het streven naar de heilige graal van volledig voorspelbaar gedrag van geleidingen tot uitdrukking gekomen in het zoveel mogelijk vermijden van wrijving – waarbij ook wordt gezorgd voor energiedissipatie, dus demping. In veel toepassingen is Coulomb-wrijving niet gewenst”, zegt Vermeulen. Ook werken rolelementen niet in elke situatie. Daarom zijn luchtlagers populair. IBM gebruikte in 1961 al luchtlagers in zijn harde schijven. Lithografische apparatuur die in de jaren zestig en zeventig in het Natuurkundig Laboratorium van Philips werd ontwikkeld, was uitgerust met vrijwel wrijvingsloze olielagers en maakt tegenwoordig in meerdere systemen gebruik van luchtlagers. . Vermeulen: ‘Met de klassieke trukendoos om wrijvingsloze geleidingen te ontwerpen, speling te vermijden en hoogstijfheidsveren met beperkte massa toe te passen, konden we het gedrag lange tijd voorspelbaar maken. Maar voor nanometertoepassingen en verder is dat niet meer voldoende.’

Wiebelende pizzaschijf

Tot voor kort was de klassieke benadering prima voor het ontwerpen van bewegingstrappen voor wafersteppers en -scanners. Door constructieve metalen en keramiek te gebruiken kan zo’n stage licht en stijf gemaakt worden. De eigenfrequenties zijn hoog genoeg om niet beperkend te zijn voor besturing met hoge bandbreedte. De vereisten voor subnanometerprecisie maken de introductie van meer rigoureuze stappen echter noodzakelijk.

Verbaan onderzocht tijdens zijn promotie de invloed van passieve demping op een positioneersysteem voor 450 millimeter wafers. Zo’n podium heeft buitenmaten van 600 mm in het kwadraat. Op nanometerniveau is het alsof je een wiebelende pizzaschijf met je handen stil moet houden”, zegt Verbaan. Hij vergeleek verschillende materialen en onderzocht en optimaliseerde met eindige-elementenanalyses de invloed van massadistributies op de prestaties.

Zo’n groot systeem is gevoelig voor meerdere resonantiefrequenties. Om het podium nauwkeurig te kunnen besturen, moeten deze resonanties onderdrukt worden. ‘Voor één frequentie is het duidelijk hoe dat moet, en je kunt dat ook in een eenvoudig model gieten. Maar als je meerdere resonantiepieken hebt over een brede frequentieband, is dat vrijwel onmogelijk. Dan krijg je een model dat te complex is om te hanteren.’

Dat is precies wat ingenieurs in de praktijk tegenkomen. De eerste ‘hindernis’ die de prestaties van een systeem beperkt is de eerste natuurlijke frequentie, de frequentie waarbij een voorwerp hevig begint te trillen als de frequentie wordt verhoogd. De traditionele aanpak is om te proberen deze frequentie te verhogen. Als de middelen hiervoor uitgeput zijn, kan verzwakking helpen om de resonantieamplitudes te onderdrukken. De eerste eigenfrequentie van een vierkante wafeltafel is bijvoorbeeld de torsiemodus, waarbij twee paar tegenover elkaar liggende hoeken in fase bewegen. Maar bij hogere frequenties begint alles te rammelen, door de vele onderdelen en componenten die aan de tafel bevestigd zijn, zoals connectoren en sensoren. Meerdere kleine massa’s die op kilohertz trillen. Zij bepalen uiteindelijk het dynamische gedrag. Je kunt dit niet oplossen via actieve filtering in het besturingssysteem omdat het er zoveel zijn. Met passieve demping kun je dat wel allemaal oplossen,’ zegt Vermeulen.

Hans Vermeulen laat zien hoe demping een resonantiepiek in een grafiek kan verminderen.

Verbaan: ‘Wat helpt is dat dempingsmaterialen zoals rubbers en vloeistoffen en de dempers die je met deze materialen ontwerpt, zich typisch heel geschikt gedragen bij die hoge frequenties, voornamelijk vanwege de frequentie-afhankelijke materiaaleigenschappen. Bij lage frequenties gedragen ze zich als een veer met lage stijfheid, en geven dus een beetje mee, maar bij hogere frequenties worden ze viskeus.’ De training van Vermeulen en Verbaan maakt duidelijk dat je het veld van demping weliswaar extreem moeilijk kunt maken, maar dat er ook heel goede vuistregels en een aantal zeer bruikbare ontwerpprincipes zijn. Verbaan: ‘Ons doel is om het hele pallet aan mogelijkheden te schetsen en ervoor te zorgen dat cursisten die de cursus volgen met de juiste aanpak tot een oplossing kunnen komen. Je kunt moderne computers dagen of zelfs weken laten rekenen, maar dan moet je wel een echte specialist zijn. We willen de cursisten verschillende mogelijkheden voor het toepassen van demping aanreiken. Ze leren de achtergronden van het modelleren en ook de eenvoudige benadering van het probleem, zodat ze demping op de juiste manier kunnen toepassen. ‘

Potentiële studenten zijn enerzijds mensen met een achtergrond in ontwerpprincipes,” zegt Rankers. Zij willen demping in de praktijk toepassen. Anderzijds zullen ook systeemarchitecten geïnteresseerd zijn, zodat zij zich bewust zijn van de mogelijkheden die demping kan bieden.’

Kees Verbaan tekent een bewegingstrainingstafel die stabiel in een verticale positie moet worden gehouden. Op zo’n tafel werken allerlei krachten, variërend van horizontale motoren die versnellen tot verticale actuatoren die de wafer op de tafel op de juiste hoogte houden. Bij de eerste trilstand bewegen de tegenoverliggende hoeken tegelijkertijd omhoog of omlaag, terwijl de andere hoeken in de andere richting bewegen. Het resultaat kan in de orde van tientallen nanometers liggen, terwijl de tafel subnanometer positiebesturing nodig heeft.

Vermeulen en Verbaan benadrukken dat passieve demping geen ‘wonderolie’ is. Een integrale ontwerpbenadering is onontbeerlijk. Ik heb ingenieurs wel eens horen zeggen: laat die fout er nu maar in zitten, dat lossen we later wel op met regelingen’, zegt Verbaan. Hij zegt dat mensen soms bij hem komen met systemen die niet de gewenste prestaties leveren en hem vragen of ze dat met passieve demping kunnen oplossen. Verbaan: ‘Daar wordt soms te gemakkelijk mee omgegaan. Je kunt niet zomaar de basis van goed mechanisch ontwerp vergeten. Het begint allemaal met een lichtgewicht en stijf ontwerp dat ontegenzeggelijk noodzakelijk blijft, ook voor een goede werking van demping. Het palet aan opties wordt steeds groter, maar demping is geen vervanging.’In de cursus ‘Passieve demping voor hightech systemen’ zullen Verbaan en Vermeulen meerdere dempingsmechanismen in detail uitleggen, zoals materiaaldemping, getunede massa- en robuuste massademping, begrensde laagdemping en wervelstroomdemping. Beginnend met dempingsimplementaties in andere toepassingsgebieden, zoals civiele techniek en auto-industrie, ligt de nadruk op ontwerp, modellering en implementatie van passieve demping in hightech systemen. Stan van der Meulen, co-trainer van de cursus, zal zich richten op de toepassing van visco-elastische demping in een halfgeleider wafer stage.

Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech editor van High-Tech Systemen.