Grensverleggende mechatronica

Half april vond bij onderzoeksinstituut IMPACT van de Universiteit Twente het vijfde TValley-congres van Mechatronica Valley Twente plaats. Sprekers van gerenommeerde mechatronica-gerelateerde bedrijven uit Twente en de regio Eindhoven gaven elk op hun eigen manier uitwerking aan het thema ‘Grensverleggende mechatronica’. Niet alleen fysisch, maar ook geografisch en commercieel blijkt de Nederlandse mechatronica telkens weer barrières te kunnen doorbreken. Met name in de mechatronica op nano-schaal loopt ons land voorop.

Op dinsdag 15 april 2008 organiseerde Mechatronica Valley Twente voor de vijfde keer haar TValley-congres. Dit congres over innovatie en business voor de high-tech maakindustrie verkende in zijn eerste lustrum de grenzen van de mechatronica. Nederlandse high-tech machine- en apparatenbouwers zoeken constant de grenzen van het zichtbare, meetbare en maakbare op. Steeds geavanceerdere mechatronische oplossingen zijn nodig om nieuwe barrières wat betreft miniaturisatie en precisie te doorbreken. Aansprekende voorbeelden daarvan komen aan bod tijdens het congres, nadat Henk Zijm, Rector Magnificus van de Universiteit Twente (UT), en Arie Kraaijeveld, voorzitter van het Innovatieplatform Twente, de aftrap hebben verzorgd.

Hun opening symboliseert de nauwe samenwerking tussen wetenschap en bedrijfsleven, die er onder meer voor zorgt dat Twente goed scoort bij de innovatieprogramma’s van SenterNovem, zoals Kraaijeveld memoreert. Als een belangrijke ontwikkeling in dat verband benoemt UT-rector Zijm, met een verwijzing naar het thema, het vervagen van de grenzen tussen fundamenteel en toegepast onderzoek. Specifiek wijst hij op de onderzoeksgebieden safety & security, robotica en medische technologie (devices).

Visualiseren van nano-structuren

De presentatie van directeur research & technologie Frank de Jong van elektronenmicroscopenfabrikant FEI Company uit Eindhoven bewijst vervolgens hoezeer de grenzen van de microtechnologie inmiddels zijn doorbroken en de nanotechnologie het stadium van de hype voorbij is. De meest geavanceerde elektronenmicroscopen van FEI kunnen nano-structuren visualiseren en de mechatronica die daarvoor in de apparaten nodig is gaat zelf ook steeds meer richting nanotechnologie. Vorig jaar werd zelfs een record-resolutie van 0,05 nanometer behaald in (S)TEM-beelden met een nieuw instrument (een scanning transmissie-elektronenmicroscoop) dat is ontwikkeld door een samenwerkingsverband van FEI, laboratoria van het Amerikaanse Department of Energy en het Duitse bedrijf CEOS.

Het resolutie-record heeft betrekking op harde materialen; de grootste uitdaging voor FEI ligt nu volgens De Jong in de ‘zachte materialen’ van de life sciences. Als nieuwste systeem van FEI op dat toepassingsgebied toont hij de Krios; de naam verwijst naar de cryogene omstandigheden waarin de biologische materialen worden bestudeerd. Het vormt de opmaat voor de vier uitdagingen aan de mechatronica die De Jong tot slot formuleert. De eerste betreft namelijk mechatronische oplossingen voor het werken bij cryogene temperaturen.

Andere uitdagingen zijn de proliferatie van elektronenmicroscopie naar andere toepassingsgebieden, waarvoor integratie van technologieën moet leiden tot prijstechnische doorbraken, de modificatie van micro- en nano-structuren met behulp van ionenbundels (FEI heeft daarvoor al een zogeheten dual-beam apparaat dat tegelijk kan modificeren en visualiseren), en tot slot de metrologie: het bepalen van afmetingen in het nano-bereik vergt het uiterste van de elektronenmicroscopische ‘meetapparatuur’ wat betreft stabiliteit, betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid.

Micro-manipulatie

Partners en toeleveranciers die al langer met FEI samenwerken en aan wie dus ook deze uitdagingen zijn gericht, komen onder meer uit Twente. Zoals de Universiteit Twente, waarvan onderzoeker Dannis Brouwer met zijn presentatie over MEMS-gebaseerde micro-mechatronica meteen aansluit op het betoog van FEI. Brouwer toont namelijk het ontwerp van een MEMS-manipulator met zes graden van vrijheid, die in een elektronenmicroscoop kan worden toegepast voor het manipuleren van samples. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) lenen zich bij uitstek voor dit soort toepassingen. Bij het ontwerp van MEMS-systemen moeten echter afwegingen gemaakt worden tussen de bekende ontwerpprincipes uit de macro-wereld en de beperkingen van de beschikbare micro-fabricagetechnologieën.

Assemblage

Dannis Brouwer is de eerste in een rij van representanten van lidbedrijven van Mechatronica Valley Twente die op TValley hun mechatronisch kunnen presenteren. Manipulatie van uiterst kleine componenten is ook een aspect in het verhaal van directeur Nol Brouwers van IMS (Integrated Mechanization Solutions) uit Almelo. Met zijn oplossingen voor micro-assemblage bouwt IMS complete productielijnen waarmee het bedrijf grenzen weet te verleggen, zowel geografisch als in productiviteit. Zo verkocht het bedrijf onlangs voor het eerst een assemblagelijn aan een Chinees bedrijf, en won het dus de concurrentie met de goedkope handjes. Bovendien betrof het een lijn die tot liefst twintig miljoen kleine productjes per jaar moet gaan afleveren. Dit alles dankzij mechatronica uit Twente.

Slimme elektronica

Eveneens wereldwijd verkocht wordt de defensie-elektronica (radar) van Thales Nederland uit Hengelo. Ben Burgers schetst hoe in de loop der tijd een radar steeds minder op mechanica en steeds meer op elektronica (en software) is gaan ‘draaien’. Een mijlpaal was onlangs de verkoop van een radarsysteem voor patrouilleschepen van de Nederlandse marine waarin helemaal niets meer beweegt. De radar opereert met behulp van een zogeheten phased array, waarin slimme elektronica zorgt voor het veranderen van de ‘kijkrichting’.

Bewegen in vacuüm

In de daaropvolgende presentaties op TValley gaat het echter nog wel degelijk over bewegingen. Zoals bewegingen in vacuüm met behulp van lineaire motoren die hun werking door een wand kunnen hebben. Productontwikkelaar Peter Krechting van Tecnotion uit Almelo laat zien dat hiermee het probleem van externe aandrijvingen en vacuümdoorvoeren is opgelost. Dat is winst, omdat in steeds meer industriële processen, zoals opdampen, sputteren, ionen-implantatie en elektronenmicroscopie, vacuüm een vereiste is. Lineaire motoren blijken daarvoor in combinatie met sensoren en digitale regeltechniek hele praktische aandrijfsystemen mogelijk te maken.

Nauwkeurig laserlassen

Niet all mechatronica bestrijkt meteen het nanometer-domein. Wouter Hakvoort ontwikkelde in onderzoek van het landelijke Materials Innovation Institute en de Universiteit Twente een mechatronische oplossing voor het verbeteren van de volgnauwkeurigheid van een industriële lasrobot. Een snelle hoogvermogen-laserlasrobot moet een lasnaad met een nauwkeurigheid van 0,1 millimeter kunnen volgen. Met een conventionele regeling is dit echter niet te realiseren vanwege de lage gesloten-lus-bandbreedte en de elasticiteit in het robotmechanisme. Hakvoort ontwierp een Iterative Learning Control-regelaar die de gevraagde nauwkeurigheid wel haalt.

Mechatronische ontwerpprincipes

De consequente toepassing van mechatronische ontwerpprincipes krijgt een fraaie demonstratie in het verhaal van technisch directeur Theo de Vries van Imotec uit Hengelo. Hij presenteert het ontwerp en de realisatie van een uniek bewegingsplatform voor revalidatietoepassingen. De Vries schetst onder meer het spanningsveld in de machine- en instrumentenbouw tussen de toenemende eisen aan de nauwkeurigheid en snelheid van bewegingen enerzijds en de grote druk op de kostprijs anderzijds.

 

Zo heeft Imotec voor genoemd bewegingsplatform een lineaire aandrijfas ontwikkeld die goede prestaties combineert met een relatief lage prijs. Het innovatieve aspect hierbij is dat diverse functies worden geïntegreerd in een minimaal aantal voordelig te produceren onderdelen. De ontwerpprincipes die De Vries demonstreert worden onder meer uitgedragen via het onderwijs van de UT-leerstoel Mechatronisch Ontwerpen, die wordt gefinancierd door Mechatronica Valley Twente.

Software

Dat naast mechanica en elektronica de software een steeds groter aandeel krijgt in high-tech mechatronische systemen, blijkt tot slot uit de presentatie van directeur Peter Rutgers van mechatronisch ontwerpbureau DEMCON uit Oldenzaal, in samenwerking met Frank Auer van lithografiemachinebouwer ASML uit Veldhoven. Zij presenteren het ontwerp van de aansturing voor een nieuw type waferstage. Deze aansturing bestrijkt liefst 24 regellussen met 18 motoren en 26 sensoren, die gecombineerd worden tot respectievelijk zeven actuatorsystemen en zes meetsystemen. Het model dat Demcon daarvoor heeft gebouwd, past in de nieuwe softwarearchitectuur van ASML. Rutgers laat zien dat het samenspel van hard- en software grenzen in de mechatronica kan verleggen.

Internationaal perspectief

Na al deze mechatronische hoogstandjes is het tot slot de beurt aan Jan van Eijk, hoogleraar aan de Technische Universiteit Delft, zelfstandig mechatronisch consultant en oud-groepsleider Mechatronica bij Philips Applied Technologies. Hij plaatst de Nederlandse mechatronica in internationaal perspectief en schetst de ontwikkeling vanaf de mechanisatie bij Philips en het werk aan optische data-opslag tot aan de lithografiemachines van ASML en de elektronenmicroscopen van FEI. Van Eijk concludeert dat Nederland zich vooral richt op de high-end toepassingen in de top van de mechatronica-pyramide.

Ons land blinkt uit in nano-mechatronica voor high-tech equipment. Maar er is meer in de wereld, verwijst Van Eijk naar ‘consumenten-mechatronica’ (waarin de VS vooroplopen), automotive-toepassingen (Duitsland en Frankrijk) en intelligente robotica (Japan). Juist lager in de pyramide ligt de grootste economische potentie. Hij roept de Nederlandse mechatronica-gemeenschap dan ook op om grenzen te verleggen. Niet zozeer op het gebied van fysica, want dat gebeurt toch wel, maar in de business. Er is twintig jaar geïnvesteerd in kennisontwikkeling, nu is het tijd om te oogsten. Het vereist volgens Jan van Eijk nog wel meer ‘respect voor operations’, integraal kostenbewustzijn en ondernemerschap. Met zijn oproep krijgt het TValley-congres over innovatie en business in mechatronica een passende afsluiting.
   

In de wandelgangen van TValley 2008. (Foto’s: Universiteit Twente)

Prijzen

Het TValley-congres werd half april 2008 net als in voorgaande jaren door Stichting Mechatronica Valley Twente (MVT) georganiseerd in samenwerking met ingenieursvereniging KIVI NIRIA. Ter afsluiting van de ochtend- en de middagsessie werden twee prijzen uitgereikt, respectievelijk de MVT Mechatronica-prijs 2008 en de KIVI NIRIA / UT scriptieprijs 2008, beide groot 1.000 euro. 
De MVT Mechatronica prijs 2008 is bedoeld voor het beste mechatronica-afstudeerwerk van een student van de Universiteit Twente (UT). Criteria zijn het mechatronica-gehalte, de kwaliteit en de creativiteit en bovendien de uitstraling die de afstudeerder heeft naar zijn omgeving. De jury, dit jaar bestaande uit de UT-hoogleraren Job van Amerongen, Ben Jonker en Herman Soemers (voorzitter), kende de prijs toe aan Michel Franken, voor zijn afstudeerwerk “Ankle actuation for planar bipedal robots”.

Van links naar rechts: juryvoorzitter Herman Soemers, prijswinnaar Michel Franken, afstudeerhoogleraar Stefano Stramigioli en looprobot Dribbel. (Foto’s: Universiteit Twente)

Franken’s opdracht was onderdeel van het werk aan de tweebenige looprobot Dribbel bij hoogleraar Stefano Stramigioli in de vakgroep Control Engineering. Hij onderzocht een energie-efficiënte manier om de loopbeweging aan te drijven via actuatie van de enkelbeweging.

Energie-efficiëntie kwam ook om de hoek kijken bij de KIVI NIRIA/UT scriptieprijs 2008, die werd toegekend aan Jochem Nijs, UT-student Industrieel Ontwerpen. Tijdens een stage bij het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) ontwikkelde hij scenario’s voor energiezuinige woonhuizen in 2015 en 2030. Het onderwerp van Nijs’ scriptie paste uitstekend in het thema voor de prijs van dit jaar ‘Doing more with less’: hoe het maximale uit beperkte resources te halen?