Passieve demping steeds meer standaard gereedschap hightech constructeur

‘In de traditionele gereedschapskar van een constructeur zaten maar drie gevulde laden. Nu blijken er nog drie laden met gereedschap open te kunnen.’ (Kees Verbaan)

Voor civiele ingenieurs en bouwkundigen behoort passieve demping al jaar en dag tot het standaard gereedschap. Mechanici die met microns stoeien, liepen er altijd met een grote boog omheen. Intussen is de hightech in het subnanometerdomein beland en ontdekken high-end machinebouwers passieve demping steeds meer als een probaat medicijn tegen eigentijdse precisiekwaaltjes.

Passieve demping behoort de afgelopen jaren steeds meer tot het standaard gereedschap van de precisie-engineer. Niet voor niets besteedt de vijfdaagse training Design Principles for Precision Engineering er een stevige dag aan. Vanwege het toenemende belang van passief dempen in het subnanometerdomein ontwikkelde High Tech Institute-partner Mechatronics Academy er ook een speciale training voor. Topexperts Hans Vermeulen en Kees Verbaan geven deze nieuwe cursus Passive Damping for High Tech Systems.

Hans Vermeulen kwam eind jaren negentig bij Philips CFT al in aanraking met passieve demping. Hij werkt bij ASML, waar de technologie intussen is doorgedrongen in tal van systeemdelen. Hij is ook een dag in de week deeltijdhoogleraar aan de TU Eindhoven. Niet gehinderd door de dagelijkse hectiek in Veldhoven kan Vermeulen zich daar onder meer in passieve demping verdiepen. Dat hij sinds enkele jaren de eerste colleges op dit vakgebied geeft, toont ook aan dat passief dempen volop in de aandacht staat.

Mechatronics - pdht1-foto-hans-vermeulen
Hans Vermeulen ziet dat ASML passieve demping steeds meer toepast om subnanometerprecisie te bereiken.

Collega-trainer Kees Verbaan promoveerde in 2015 op robust mass dampers voor bewegende stages. Hij werk bij de NTS Group, een first-tier supplier voor de hightech machinebouw. In zijn rol als systeemarchitect ziet Verbaan dat passieve dempingstechnologie intussen aardig ingeburgerd raakt bij veel high-end bedrijven.

Mechatronics - pdht1-foto-kees-verbaan
Systeemarchitect Kees Verbaan promoveerde op robust mass dampers en ziet zijn vakgebied intussen aardig ingeburgerd raken.

Passieve demping kom je in de grofstoffelijke wereld overal tegen. Leg je vinger op een trillende stemvork of spijker een groot kleed aan de muur en je doet aan passieve demping. De automobielindustrie past het veelvuldig toe in de portieren van auto’s. Daar zorgt een laag antidreunfolie voor een mooie geluidsbeleving. Als je de deur dichtslaat, hoor je het blik niet resoneren, maar zorgt de dempende laag voor de plof die we associëren met kwaliteit. De energie blijft niet als trilling in het materiaal hangen, maar een laag bitumen aan de binnenkant van de deur dooft het geluid snel uit door de bewegingsenergie om te zetten in warmte.

Een extreem voorbeeld van een passieve dempingsconstructie is te vinden in de Taipei 101, het hoogste gebouw in de gelijknamige Taiwanese hoofdstad. Omdat het gebied daar nogal aardbevings- en wervelstormgevoelig is, is het 101 verdiepingen tellende gebouw uitgerust met een tuned mass damper, een reusachtig bolvormig gewicht van ruim achthonderd ton dat in de top van het gebouw aan vier tuien hangt en voorzien is van dempers. Bij trillingen door aardbevingen of harde stormen beweegt de bol tegendraads en neemt daarmee een groot deel van de bewegingsenergie van het gebouw over.

‘Dezelfde technieken druppelen nu ook de hightech binnen’, zegt Hans Vermeulen. Dempende lagen - zogenaamde constrained layers - zitten de laatste jaren verwerkt in hoogprecisiestages en met tuned mass dampers worden op specifieke frequenties storende trillingen onderdrukt om de precisie van het hele systeem te verhogen.’

De training 'Passive Damping for High Tech Systems'
duurt tweeëneenhalve dag en gaat van start
op 16 april 2019.

Cursusomschrijving

Kunststoffen, rubber en composieten

De hightech machinebouw is de trukendoos met passieve-dempingstechnieken lange tijd uit de weg gegaan. Dat komt vooral omdat constructeurs uitstekend uit de voeten konden en (vaak nog kunnen) met de traditionele aanpak: stijve constructies van metaal of keramiek, veren met voorspelbaar gedrag - werktuigbouwkundigen kennen het wel.

Met kunststoffen, rubber en composieten zijn ongewenste trillingen sterk te verminderen. Die aanpak was echter nooit zo populair, omdat het gedrag van deze materialen precisiesystemen onvoorspelbaar maakt. Een andere reden is dat analysegereedschappen zoals eindige-elementenanalyse en de noodzakelijke computers lange tijd niet voldoende rekenkracht hadden om de complexe berekeningen te doen die nodig zijn om de invloed van passieve demping in constructies met exotische materialen goed te voorspellen. De laatste jaren begint daar echter verandering in te komen.

Het is een dooddoener, maar niet minder waar: in de hightech systeembouw nemen de eisen aan precisie almaar toe. Halfgeleiderfabrikanten willen lithografische machines die op een betrouwbare manier en met subnanometerprecisie patronen kunnen maken. Biotechnologen verwachten microscopen waarmee ze dna tot op atoomniveau kunnen bekijken en medici staan te springen om diagnostische apparatuur met als het kan moleculaire resoluties. Op alle terreinen nemen de eisen fors toe. Dusdanig, dat mechanisch constructeurs en systeemontwerpers niet langer toekunnen met hun standaard gereedschapskist.

Het blijkt dat passieve demping daarin een zeer waardevolle bijdrage kan leveren. De aanpak heeft zich intussen bewezen, ook in de higtech. ‘Het leuke aan demping is dat er een hele nieuwe trukendoos opgaat’, zegt Verbaan. Precisieconstructeurs krijgen er echt een aantal stukken op hun schaakbord bij. Ik vind dat leuk, omdat in de traditionele gereedschapskar van een constructeur maar drie gevulde laden zaten. Nu blijken er nog drie laden bij te kunnen en die liggen vol met poelietrekkers en steeksleutels die ze eerst niet hadden.’ Hij onderstreept wel dat het een aanvulling is. ‘Als je het traditionele construeren niet beheerst, dan brengt het je weinig.’

‘Toen de eisen minder hoog waren, dachten constructeurs vooral in een voorspelbare wereld van massa’s en veren’, zegt Vermeulen. ‘Bij het traditionele construeren heb je te maken met lineaire verbanden, zoals tussen kracht en positie of spanning en rek. Om opslingering door verstoringen te beperken zorgen constructeurs dat de eigenfrequenties in het systeem hoog zijn. Dat betekent licht en stijf construeren, dus weinig massa gebruiken en materialen en geometrieën toepassen met een hoge stijfheid.’

Monolithische bladveer

De wet van Hooke leert dat er bij elastische materialen een lineair verband is tussen kracht en positie, tussen spanning en rek. Dat betekent dat het elastische materiaal ook weer terugkomt in zijn oorspronkelijke vorm. Dat is fijn, want als je de krachten kent, kun je de positie nauwkeurig voorspellen.

Voorbeeld is een monolithische bladveer, een massief blok metaal dat is bewerkt met gaten en sleuven tot een veerconstructie. Zo’n constructie vertoont reproduceerbaar lineair gedrag. Je kunt ook zeggen: is vrij van hysterese. Regeltechnisch levert deze aanpak echter problemen op als de eisen in precisie toenemen.

Mechatronics - pdht1-flexure-stage-1
Typische constructie met geïntegreerde tuned mass damping. Foto Janssen Precision Engineering.



Mechatronics - pdht1-flexure-stage-2
Typische constructie met bladveren, gefreesd uit een monolitisch blok metaal. Een massief blok metaal is bewerkt tot een veerconstructie. Zo’n constructie vertoont reproduceerbaar lineair gedrag, maar heeft het nadeel dat hij ‘klinkt als een klok’. Foto Janssen Precision Engineering.

In dit soort constructies hebben regelingen last van trillingen. Die ontstaan door krachten in het systeem zelf zoals door opgelegde bewegingsprofielen, maar ook door invloeden van buitenaf bijvoorbeeld door vloertrillingen of door luchtverplaatsing. De trillingen die dan ontstaan, blijven lang in het systeem opgesloten. De veer is immers niet gedempt; hij kan zijn trillingsenergie niet kwijt.

Werktuigbouwers zeggen dan ook: ‘het klinkt als een klok’, en dat is in dit geval niet positief bedoeld. Hoogfrequente resonanties zijn over het algemeen moeilijk ‘weg te regelen’. Daarom zorgen systeemontwerpers er altijd voor dit soort resonanties in een gebied vallen waarbij ze er geen last van hebben. Dat betekent een zo hoog mogelijke eerste eigenfrequentie. De regeling kan dan in een lager frequentiegebied rustig zijn werk doen. Trillingen door verstoringen treden dus wel op, maar het effect is verwaarloosbaar.

Als de eisen aan de nauwkeurigheid toenemen, dan zijn ontwerpers bij de traditionele aanpak gedwongen binnen hun ontwerp een hogere eigenfrequenties te bereiken. ‘De eisen worden steeds strikter’, zegt programmamanager Adrian Rankers van Mechatronics Academy. ‘Dat houdt een keertje op, want we krijgen het gewoon niet meer gemaakt.’

Bloedhekel

Aan die traditionele aanpak hadden machinebouwers jarenlang voldoende. Maar in hun zoektocht naar toenemende precisie bekijken intussen alle high-end systeembouwers de mogelijkheden van passieve demping. Vermeulen: ‘Ik durf best te beweren dat het eigenlijk al standaard is in de machinebouw. Niet iedereen is ermee bekend, maar het breidt zich uit.’ Verbaan: ‘De groten zoals ASML, Philips, TNO en Thermo Fisher hebben de tijd om hun kennis te ontwikkelen en er onderzoek naar te doen.’

Vermeulen: ‘Demping betekent dat je afwijkt van dat lineaire materiaalgedrag in de definitie van de wet van Hooke. Dat komt omdat het materiaal een deel van de energie omzet in warmte. Als je voor een niet-lineair systeem kracht en uitrekking uitzet in een grafiek, dan komt die dissipatie tot uitdrukking in een hysterese-lus. Het oppervlak van deze lus is gelijk aan de gedissipeerde energie: de demping die je aan een constructie kunt meegeven.’

De eigenschappen van rubber zijn bijvoorbeeld temperatuur- en frequentie-afhankelijk (voor specialisten: er kunnen voor rubbers wel lineair visco-elastische modellen worden gebruikt). Daardoor werden dit soort dempende materialen lange tijd vermeden, vanwege hysterese: een systeem kan zich dan onder dezelfde omstandigheden in verschillende toestanden bevinden. Vermeulen: ‘Dat betekent onzekerheid over de positie.’ Aan dat laatste hebben precisie-engineers een bloedhekel. ‘Met demping wijk je af van het lineair verband. Je doorloopt een hysterese-lus als je de kracht opvoert en vervolgens weer laat afnemen. Je weet niet precies hoe die lus wordt doorlopen, want je kent niet alle krachten die op het systeem inwerken. Vaak zijn er ook verstoringen van buitenaf en dan kun je eindigen in een positie die je van tevoren niet hebt bedacht. Die onzekerheid hebben we eigenlijk lang willen vermijden. Daardoor heeft iedereen in de hightech demping vermeden en alles traditioneel in massa’s en veren ontworpen. Maar op een gegeven moment zijn daarvan de mogelijkheden op.’

Venijn

In deze hysterese-lus zit dus het venijn. Je kunt het gedrag minder goed voorspellen, omdat het systeem zich in verschillende toestanden kan bevinden. Dat maakt besturen en regelen complex in omgevingen waar vloertrillingen en kleine variaties in luchtdruk of temperatuur al grote verstoringen veroorzaken. Een zachte uitademing over een waferstage zorgt al voor een staande golf met een amplitude van enkele tientallen nanometers op deze tafel. En dat terwijl de stages op subnanometerniveau moeten kunnen positioneren.

‘De combinatie maakt het vervelend’, zegt Vermeulen. ‘Je hebt te maken met de eigen regeling, waarmee je krachten uitoefent op je systeem en daarnaast met gedeeltelijk onbekende verstoringen van buitenaf. Door die hysterese-lus kun je eindigen in een positie die je van tevoren niet hebt bedacht.’

Even terug naar de monolithische bladveergeleiding. Die vertoont zeer voorspelbaar gedrag. Als je de kracht op de bladveer kent, weet je de toestand of positie van het systeem. Vermeulen: ‘Maar als je daaraan demping en dus een hysterese-lus toevoegt, introduceer je een onzekerheid in positie en weet je op een gegeven moment niet waar je bladveergeleiding uithangt. Die onzekerheid hebben we heel lang vermeden en dus werd alles traditioneel in massa’s en veren ontworpen, maar dat tijdperk is nu ten einde.’

Het streven naar de heilige graal van volkomen voorspelbaar gedrag uitte zich de afgelopen decennia in het zoveel mogelijk voorkomen van wrijving - een vorm van demping. ‘Je wilt geen geleidingen met wrijving’, zegt Vermeulen. ‘Rolletjes zijn al vervelend voor veel toepassing. Daarom zijn luchtlagers populair. Die hebben nauwelijks wrijving.’

IBM rustte in 1961 zijn harde schijven al uit met luchtlagers. De eerste lithografische apparatuur die in de jaren zestig en zeventig op het Philips Natuurkundig Laboratorium zat vol met deze technologie. Stages werden in die pioniersjaren uitgerust met vrijwel wrijvingsloze olielagers. Vermeulen: ‘Met de klassieke trukendoos van wrijvingsloze geleidingen, vermijden van speling, toepassen van stijve veren en het beperken van massa konden we lange tijd het gedrag voorspelbaar maken. Maar voor nanometers en kleiner is het niet langer toereikend.’

Pizzabodem

Positioneertafels voor wafersteppers waren tot voor kort prima met de klassieke aanpak te ontwerpen. Met structurele metalen en keramiek is zo’n stage licht en stijf te maken. De eigenfrequenties liggen hoog genoeg om niet te hinderen. De eis aan subnanometerprecisie dwingt echter tot meer rigoureuze stappen.

Verbaan onderzocht tijdens zijn promotie de invloed van passieve demping op een positioneertafel voor 450 millimeter plakken. Zo’n stage heeft een afmeting van 600 mm in het vierkant. ‘Op nanometerniveau is het alsof je een pizzabodem met je handen stil moet houden’, zegt Verbaan. Hij vergeleek materialen, maakte vakkenpatronen en bekeek met eindige-elementenanalyses wat de invloed was van massaverdelingen.

Zo’n omvangrijke tafel is ontvankelijk voor verschillende resonanties. Om de stage nauwkeurig te kunnen regelen, moeten die worden onderdrukt. ‘Voor één frequentie is het duidelijk hoe dat moet en dat kun je ook in een eenvoudig model stoppen. Maar als je frequentiepieken hebt over een brede band dan is dat vrijwel onmogelijk. Dan krijg je een model dat te complex is om door te rekenen.’

Dat is precies waar constructeurs in de praktijk tegenaan lopen. De eerste horde is de eerste eigenfrequentie, de frequentie waarop een voorwerp heftig gaat meetrillen als je de frequentie opvoert. De traditionele aanpak is proberen deze frequentie te verhogen. Als de middelen daarvoor zijn uitgeput, dan kan demping helpen bij het onderdrukken van de resonantie-amplitudes. Verbaan zei het al: in de praktijk komen er alleen maar nare hoogfrequente resonantie bij.

De eerste eigenfrequentie van een vierkante wafertafel is bijvoorbeeld de torsiemode, waarbij de twee paren tegenover elkaar liggende hoeken met elkaar meeflapperen. Maar bij hogere frequenties begint er van alles te rammelen, door de talloze onderdelen die aan de tafel vastzitten zoals connectoren en sensoren. ‘Kleine massa’s die met kilohertzen trillen. Die gaan uiteindelijk je gedrag bepalen. Dat krijg je regeltechnisch niet goed, want dat zijn er heel veel. Dat woud van resonanties krijg je niet meer weggefilterd. Met demping kun je dat allemaal platslaan’, aldus Vermeulen.

Mechatronics - pdht1-hans-vermeulen
Hans Vermeulen laat zien hoe je in een grafiek de demping van een frequentiepiek tekent.

Verbaan: ‘Wat helpt, is dat dempende materialen zoals rubbers en vloeistoffen en de onderdelen die je ermee maakt, zich typisch bij die hoge frequenties heel goed gaan gedragen. Bij lage frequenties gedragen ze zich als een slappe veer, en geven dus een beetje mee, maar bij hogere snelheden worden ze stroperig.’

De cursus van Vermeulen en Verbaan maakt duidelijk dat je heel moeilijk kunt doen over het vakgebied demping, maar dat er ook heel goede vuistregels en verschillende heel bruikbare principes bekend zijn. Verbaan: ‘Ons doel is het hele pallet te schetsen en zorgen dat cursisten met een goede benadering tot een oplossing kunnen komen. Je kunt moderne computers dagen en weken laten rekenen, maar dan moet je een echte specialist zijn. Wij willen de cursusdeelnemers meegeven wat de verschillende mogelijkheden zijn die demping biedt. Ze krijgen de achtergronden van modelvorming, maar ook de eenvoudige benadering van het probleem zodat ze demping kunnen toepassen.’

‘Potentiële cursisten zijn aan de ene kant mensen met een design principles-achtergrond’, zegt Rankers. ‘Die willen demping in de praktijk gaan toepassen. Aan de andere kant zullen ook systeemarchitecten geïnteresseerd zijn, zodat ze op de hoogte zijn van de mogelijkheden die demping biedt.’

Mechatronics - pdht1-kees-verban
Kees Verbaan tekent een motionstage die in verticale richting op hoogte moet worden gehouden. Allerlei krachten werken op zo’n tafel, van horizontale motoren tot actuatoren die de wafer op de tafel op hoogte houden. In de eerste trillingsmode gaan de tegenoverliggende punten tegelijk omhoog of omlaag, terwijl de andere punten de andere kant op bewegen. De uitslag kan tientallen nanometers bedragen, terwijl de stage subnanometerprecisie nodig heeft.

Vermeulen en Verbaan onderstrepen dat passieve demping geen wonderolie is. Een integrale ontwerpaanpak is onontbeerlijk. ‘Ik heb het wel meegemaakt dat constructeurs zeiden: laat dat foutje maar lekker zitten, dat lossen we straks aan de regelaarkant op’, zegt Verbaan. Hij vertelt dat er wel eens mensen bij hem aankloppen met systemen die de gewenste prestaties niet halen en die hem vragen of ze passieve demping kunnen gebruiken om het te verhelpen. Verbaan: ‘Er wordt soms te gemakkelijk over gedaan. Je kan geen oude kennis overboord zetten. Aan de basis blijft goed klassiek licht en stijf construeren noodzaak, ook voor het functioneren van demping. Het pallet wordt groter, maar demping is geen vervanging.’

In de cursus ‘Passive damping for high tech systems’ behandelen Verbaan en Vermeulen met name de twee hoofdvormen tuned mass damping en constrained layer-damping. ‘We beginnen met materialen an sich en behandelen alle uithoeken van de matrix: van metalen, meer flexibele materialen als kunststoffen en rubbers tot composieten. Vervolgens maken we de uitstap naar tuned mass dempers en hoe je onder meer kunt dempen over een groot frequentiegebied. Verder gaan we in op het aanbrengen van demping in de vorm van lagenstructuren op bijvoorbeeld platen of balken.’ Stan van der Meulen zal als co-trainer van de cursus ingaan op toepassing van visco-elastische demping in een semiconductor wafer stage applicatie. 

De nieuwe 'Passive damping' training is gecertificeerd
door de European society for precision engineering & nanotechnology (euspen) 
en de Dutch Society for Precision Engineering (DSPE).

Cursusomschrijving