“Zonder reproduceerbaarheid heb je niets”

Hoge-precisie mechatronica is een van de sterke punten van de regio. Om de systeemprestaties te maximaliseren, is een goede meet- en kalibratiestrategie cruciaal. “Denk vooruit,” adviseert Rens Henselmans, docent bij High Tech Institute. “En let op wat echt nodig is.”

Stel dat je een machine wilt bouwen die een gat kan boren in een stuk metaal. De gaten moeten zo nauwkeurig geboord worden dat, eenmaal geboord, twee afzonderlijke stukken perfect in elkaar passen en met een plug verbonden kunnen worden. Hoe ziet die machine eruit? En hoe bereik je de vereiste precisie? Als je beide gaten een beetje scheef op dezelfde manier boort, zal de pin waarschijnlijk nog passen. Maar als de afwijking van het ene stuk op het andere niet gelijk is, ben je de pineut. En wat als je twee boormachines naast elkaar zet en hun output combineert; wat zijn dan de vereisten? Of nog extremer, wat als je het eerste onderdeel in China koopt en het tweede in de VS, welke maatregelen zijn er dan nodig om ervoor te zorgen dat de plug past?

Zelfs bij een eenvoudig voorbeeld als het boren van een gat blijkt het helemaal niet zo eenvoudig om een superhoog nauwkeurigheidsniveau te bereiken. Parameters als meetonzekerheid, reproduceerbaarheid en herleidbaarheid moeten goed gedefinieerd zijn. Als je dat als systeemontwerper niet onder de knie hebt, kun je nauwkeurigheid wel vergeten.

De term nauwkeurigheid wordt vaak verkeerd gebruikt, zegt Rens Henselmans, CTO van Dutch United Instruments en docent aan het High Tech Institute. “Het is een kwalitatief concept: iets is nauwkeurig of niet. Maar er is geen getal aan verbonden,” legt hij uit. Dat is op zich niet erg, heeft hij ervaren, “zolang iedereen maar weet wat er bedoeld wordt. Meestal gaat het om de meetonzekerheid. Dat wil zeggen, een bepaalde waarde plus of min één standaardafwijking.”

Rens Henselmans: ‘Je kunt niet achteraf kalibreren in je systeem’.

De meter

Reproduceerbaarheid wordt vaak verward met herhaalbaarheid. Deze laatste term beschrijft de variatie die optreedt als je processen herhaalt onder exact dezelfde omstandigheden. “Hetzelfde weer, hetzelfde tijdstip van de dag, dezelfde geschiedenis,” zegt Henselmans, terwijl hij de lijst van randvoorwaarden opsomt. “Reproduceerbaarheid is dezelfde variatie, maar onder variabele omstandigheden, zoals een andere operator of zelfs een andere locatie. Het is de moeilijkere versie van herhaalbaarheid omdat er meer factoren in het spel zijn.” Die systeemvereiste is echter essentieel. “Zonder reproduceerbaar gedrag heb je niets,” verklaart Henselmans. “Als je machine niet altijd hetzelfde doet, kun je systeemfouten niet corrigeren of kalibreren. Reproduceerbaarheid is de ondergrens van wat je machine ooit zal kunnen, als je de systematische fouten perfect zou kunnen kalibreren.”

Dan traceerbaarheid. “Internationaal hebben we afspraken gemaakt over de exacte lengte van een meter”, zegt Henselmans. “Bij het Nederlandse meetinstituut NMI hebben ze daar een afgeleide van en elk kalibratiebedrijf heeft daar een afgeleide van. Hoe dieper je in de keten komt, hoe groter de afwijking van de ware standaard en dus hoe groter de onzekerheid. Als je een meting met een onzekerheid presenteert, moet je eigenlijk aangeven hoe de onzekerheden van alle onderdelen in de keten herleid kunnen worden naar die ene primaire standaard. Heel eenvoudig, maar het wordt vaak vergeten als het over nauwkeurigheid gaat.”

Gelukkig is dat niet altijd nodig. “Als je een wafer beschrijft, maakt het helemaal niet uit of de diameter van die wafer precies 300 mm is,” zegt Henselmans. “De uitdaging is om de patronen netjes uitgelijnd te krijgen. En zelfs als het patroon een beetje vervormd is, is dat niet rampzalig, zolang die vervorming in elke laag hetzelfde is. Het wordt pas lastig als je de volgende belichting op een andere machine wilt doen, of zelfs op een systeem van een andere fabrikant. Dan moeten ze in ieder geval allemaal dezelfde afwijking hebben. Gaandeweg kom je op het punt dat je alles wilt terugleiden naar dezelfde referentie en dus uiteindelijk naar de meter van de NMI.”

Gezond verstand

Wat echt nodig is, hangt sterk af van de toepassing en van het budget dat je als ontwerper krijgt. “Technici zijn geneigd om te veel te willen en te laten zien dat ze aan uitdagende eisen kunnen voldoen. Maar dat maakt hun ontwerp vaak te duur,” waarschuwt Henselmans. Zijn bedrijf, Dutch United Instruments, ontwikkelt een machine om de vorm van asferische en vrije-vorm optiek te meten, gebaseerd op zijn promotieonderzoek uit 2009. “Aan het begin van dat project wilden we een meetonzekerheid van 30 nanometer in drie richtingen bereiken. Op een gegeven moment viel het kwartje. Optische oppervlakken zijn altijd glad en golvend. Als je met een optische sensor loodrecht op het oppervlak meet, is een onnauwkeurigheid in die richting een één-op-één meetfout. Dat is waar nanometerprecisie echt nodig is. Maar parallel aan het oppervlak meet je geen dramatische verschillen. Lateraal volstaan micrometers. Dat inzicht maakte het probleem ineens tweedimensionaal in plaats van driedimensionaal.”

Tijdens de training gebruikt Henselmans regelmatig de optiekmeetmachine van zijn eigen bedrijf, Dutch United Instruments, als voorbeeld.

Gebruik dus altijd je gezonde verstand als je aan nauwkeurigheid denkt. “Het is prima om van de regels af te wijken, zolang je maar weet wat je doet,” zegt Henselmans. De benodigde kennis komt met ervaring. “Je leert veel van goede en slechte voorbeelden.” Daarom gebruikt Henselmans tijdens de training ‘Metrologie en kalibratie van mechatronische systemen‘ bij High Tech Institute veel praktijkvoorbeelden, waaronder zijn eigen optiekmeetmachine en een pick-and-place machine. “We doen veel oefeningen en berekeningen met verborgen valkuilen, zodat deelnemers kunnen leren van hun eigen fouten.”

Abbe

Wat de metrologie in je machine betreft, moet je goed nadenken over waar je de sensoren plaatst. “Denk aan een schuifmaat,” zegt Henselmans. “De schaalverdeling is daar niet uitgelijnd met de werkelijke meting. Dus als je hard op die snavels drukt, kantelen ze een beetje en krijg je een ander resultaat. Dit effect treedt op in bijna alle systemen, zelfs in de meest geavanceerde coördinatenmeetapparatuur. Tussen de taster en de liniaal in die machines zitten allerlei componenten en assen die de meting kunnen beïnvloeden.”

Henselmans noemt het bewust maken van deze effecten een van de belangrijkste lessen van de training. “Het omvat de volledige meetlus met alle elementen die bijdragen aan het totale foutbudget,” legt hij uit. Over het algemeen wil je die lus klein houden en de sensor zo dicht mogelijk bij de werkelijke meting brengen. “Helaas zit er vaak een machineonderdeel of product in de weg waardoor het moeilijk is om aan dat Abbe-principe te voldoen. Realiseer je ook dat je niet de enige in de wereld bent. De metrologist zou inderdaad de voorkeur kunnen geven aan korte afstanden om de hoogste nauwkeurigheid te bereiken volgens het Abbe-principe. De dynamisch ingenieur daarentegen zou liever meten in lijn met het zwaartepunt, omdat anders allerlei schommelingen zijn regelkringen verstoren. De metrologist zal aanvoeren dat deze schommelingen juist interessant zijn omdat ze het gedrag van het systeem beïnvloeden. Samen moeten ze de juiste balans zien te vinden.”

Het nemen van die beslissing is een van de discussiepunten in de cursus. Een belangrijk aspect van deze discussie is de noodzaak om voldoende kennis te hebben van de verschillende sensoren en hun voor- en nadelen. Tijdens de training worden daarom onder andere interferometers, encoders en visiontechnologie uitgelegd door specialisten.

Omgekeerde waterpas

Als je de metrologie en reproduceerbaarheid in je systeem op orde hebt, is het tijd voor kalibratie. “Om te corrigeren voor systematische fouten”, verduidelijkt Henselmans. De tweede helft van de training gaat over hoe je dat doet. “De les die je moet leren is dat je kalibratie niet achteraf kunt toevoegen in je systeem. Je moet van tevoren bedenken hoe je de kalibratie gaat uitvoeren en waar je welke sensoren en referentieobjecten nodig hebt. Als je wacht tot het einde van je ontwerpproces, kun je ze zeker niet meer inpassen.”

Voordat je jezelf in de hoek hebt geschilderd, moet je een lijst hebben van foutbronnen, welke je moet kalibreren en vooral hoe je dat gaat doen. Henselmans: “In mijn tijd bij TNO hebben we ooit een voorstel gedaan voor een instrument om satellieten te meten. Een systeem van ongeveer een kubieke meter groot. Dat konden we testen in onze eigen vacuümkamer. We hadden al allerlei testscenario’s opgezet toen een van de optische ingenieurs erop wees dat je een bepaalde meting op een afstand van ongeveer zeven meter moest doen, want daar lag het brandpunt. Dus moesten we de kalibratie uitvoeren in een speciale kamer bij een gespecialiseerd bedrijf in Duitsland, wat duizenden euro’s per dag kostte. Het is fijn dat we hier achter zijn gekomen voordat we onze offerte naar de klant stuurden.”

Er zijn zeker kalibratiehulpmiddelen en referentieobjecten op de markt, maar Henselmans ervaring is dat je vrij snel vast komt te zitten. “Zeker voor grotere objecten droogt de lijst met opties snel op”, zegt hij. Ontwerpers moeten dan terugvallen op ingenieuze trucs zoals omkering. “Een prachtig mooi en eenvoudig concept,” zegt Henselmans en hij legt uit: “Denk aan een waterpas. Die kun je tegen een deurkozijn houden om te bepalen hoe scheef die staat. Draai vervolgens de waterpas om en kijk of de luchtbel nu precies aan de andere kant van het midden zit. Zo niet, dan is de libel blijkbaar niet goed uitgelijnd binnen de waterpas. Je hebt dan twee metingen, dus twee vergelijkingen met twee onbekenden, wat betekent dat je de offset van de waterpas en de deur tegelijkertijd kunt kalibreren. Je kunt die truc gebruiken in gecompliceerdere situaties, met meer vrijheidsgraden en nanometer nauwkeurigheid. Dat betekent dat je veel verder kunt komen dan met hulpmiddelen die commercieel verkrijgbaar zijn.”

Nog beter is het om deze techniek in je ontwerp op te nemen, zodat de machine zichzelf kan kalibreren. “Maak het onderdeel van het proces van je machine,” adviseert Henselmans. “Dan daalt de stabiliteitseis van het systeem drastisch en wordt het systeemontwerp veel eenvoudiger.”

Dit artikel is geschreven door Alexander Pil, technisch redacteur van High-Tech Systemen.