IOP Precisietechnologie

Transcriptie

1 Het IOP Precisietechnologie wordt uigevoerd door Agenstschap NL Voor vragen over IOP Precisietechnologie Programma Coördinator IOP Precisietechnologie, NL Innovatie Dr.ir. Eddy Schipper T E eddy.schipper@agentschapnl.nl Tender 2006 IOP Precisietechnologie Dit is een publicatie van: Agentschap NL NL Innovatie Juliana van Stolberglaan 3 Postbus AC Den Haag T E info@agentschapnl.nl Agentschap NL september 2010 Publicatie-nr. 3IPRT1002 Agentschap NL is een agentschap van het ministerie van Economische Zaken. Agentschap NL voert beleid uit voor diverse ministeries als het gaat om duurzaamheid, innovatie en internationaal. Agentschap NL is hét aanspreekpunt voor bedrijven, kennisinstellingen en overheden. Voor informatie en advies, financiering, netwerken en wet- en regelgeving. De divisie NL Innovatie helpt ondernemend Nederland bij innovaties. Met geld, kennis en contacten. Innovatiegerichte onderzoeksprogramma s (IOP) stimuleren de interactie tussen onderzoekswereld en bedrijfsleven door: directe betrokkenheid van het bedrijfsleven bij de onderzoeksprojecten; kennisoverdracht en netwerkactiviteiten. Kennisinstellingen en bedrijven ontvangen subsidie voor het uitvoeren van de onderzoeksprojecten. De dagelijkse leiding van een IOP is in handen van de voorzitter van de adviescommissie en de programmacoödinatoren.

2 Voorwoord Geachte collega, Dit is het vierde en laatste boekje dat kennis beschrijft, opgedaan in het kader van het IOP Precisietechnologie. Het is een samenvatting van het werk verricht door onderzoekers van Nederlandse universiteiten en kennisinstellingen ten behoeve van de Nederlandse wetenschap en industrie. Het boekje geeft een samenvatting van de laatste zeven projecten van de tender Elk project is kort beschreven in vier tot vijf pagina s en voorzien van enkele karakteristieke foto s. U kunt aan de hand van die samenvatting inschatten of u in meer detail geïnteresseerd bent in het beschreven onderzoek of in het betreffende onderzoeksgebied. Want als u kennis zoekt, past de vraag meestal niet precies op wat hier geboden wordt. Hoewel de onderzoekers binnenkort zullen zijn vertrokken om aan een volgende uitdaging te beginnen, blijft binnen de universiteiten en bij instituten als TNO, ECN en VSL in de voedingsbodem achter waarin het beschreven onderzoek geworteld is. Om u daarbij op weg te helpen is bij elk project contactinformatie opgenomen van degene die u verder kan verwijzen als u vragen hebt over het betreffende onderzoek. Meer gedetailleerde informatie vindt u op Tenslotte nogmaals dank aan wetenschapsjournalist Daphne Riksen, die opnieuw de behoorlijk diepgravende materie wist samen te vatten in artikelen, die leesbaar zijn voor een breed-technisch georiënteerde doelgroep. Dr. Lou Hulst voorzitter van het IOP Precisietechnologie

3 Inhoud Active chatter control 6 Fast focus on structures 11 Eye RHAS 16 Contactloos producttransport en positioneren 22 Picodriftmeter en Verplaatsingsinterferometrie 28 Kunststof MEMS-structuren 34 5 IOP Precisietechnologie

4 Procesmodellen en proof of concept Active chatter control Bij precisiefrezen treedt onder bepaalde omstandigheden chatter op, een fenomeen dat slechte oppervlaktekwaliteit en hoge gereedschapsslijtage veroorzaakt. Onderzoekers van TNO en de TU/e ontwikkelden een regeling die het dynamisch gedrag van de machinespindel binnen een bepaald toerentalgebied beïnvloedt en daarmee in theorie chatter voorkomt. Een proof of concept moet aantonen of deze strategie in de praktijk levensvatbaar is. Spindel voorzien van sensoren en actuatoren, opgesteld bij het Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen van de Universiteit van Darmstadt (deze opstelling is bij PTW gerealiseerd als project DFG/SPP1156). Bij chatter gaat de frees trillen, waardoor het werkstuk een lelijk en ruw oppervlak krijgt en de frees in sommige gevallen zelfs kapot gaat. Een lastig fenomeen bij het nauwkeurig fabriceren van onderdelen, zeker als daaraan steeds hogere eisen worden gesteld wat betreft doorlooptijd, efficiëntie en kosten. Juist wanneer je om die redenen sneller of dieper wilt frezen om in dezelfde tijd meer materiaal te verwijderen, treedt chatter op. Tot nu toe wordt chatter vermeden door binnen bepaalde toerentalgebieden te blijven die minder gevoelig zijn voor chatter. Maar de toepasbaarheid van deze strategie is beperkt. Zodra de omstandigheden veranderen (bijvoorbeeld door temperatuursveranderingen en/of slijtage) kan een oorspronkelijk chattervrij toerentalgebied instabiel worden, wat resulteert in het optreden van chatter. Ingrijpen tijdens het frezen lijkt een betere strategie. Vlak voordat chatter optreedt begint de machinespindel die de frees bevat namelijk te trillen. In een eerder project ontwikkelde TNO daarom in samenwerking met de TU/e een systeem dat voortdurend de trillingen op de spindel meet en op basis daarvan het toerental net op tijd bijstuurt. In het IOP-project Active chatter control hebben de TU/e en TNO een andere oplossingsrichting onder zocht. In plaats van het toerental aan te passen, willen ze juist bij een vooraf in te stellen toerentalgebied chatter voorkomen door in de spindeldynamica in te grijpen. Dat heeft twee redenen. De eerste is dat bij sommige materialen de snijsnelheid behoorlijk kritisch is. Variëren met het toerental is dan geen optie, omdat het gereedschap zou verbranden of omdat het materiaal überhaupt niet verspaand kan worden. Voor andere materialen, waar de eisen minder kritisch zijn, wil je een optimum vinden om met hoge toerentallen en grote snedediepte zoveel mogelijk materiaal in dezelfde tijd te verwijderen. Het was voor mij een eye-opener dat je kunt ingrijpen voordat chatter optreedt Als je het dynamisch gedrag van de machinespindel wilt beïnvloeden, heb je daarvan eerst een model nodig, vertelt promovendus Niels van Dijk van de TU/e-faculteit Werktuigbouwkunde, afdeling 6 IOP Precisietechnologie 7 IOP Precisietechnologie

5 Dynamics and Control. Want daarmee kun je het effect van wijzigingen op de dynamische eigenschappen van de spindel uitproberen. Ik ben begonnen met eenvoudige modellen van het freesproces, om de stabiliteit van dat proces te kunnen analyseren. Want als het proces instabiel wordt, treedt er immers chatter op. Die modellen heb ik steeds verder verfijnd en uitgebreid. Uit zijn onderzoek blijkt dat de stijfheid en de dempingseigenschappen van de spindel belangrijke procesparameters zijn die de grens tussen chatter en geen chatter bepalen. Die zogenoemde stabiliteitslijn is overigens geen rechte lijn maar bevat pieken en dalen, legt Niels van Dijk uit. Het punt waar je heel efficiënt zou kunnen werken, dat wil zeggen waar je veel materiaal in één keer kunt wegnemen, kan net in een dal zitten. Het is de kunst om met regelalgoritmes de vorm van de stabiliteitslijn zodanig te beïnvloeden dat je bij dat toerental in een top terecht komt. Dat kan, door actief in te grijpen in de dynamische eigenschappen van de spindel. Oppervlak met drie gefreesde groeven. In de buitenste groeven is chatter opgetreden. Een volgende stap in het project, die begin 2010 samen met TNO wordt uitgevoerd, is een proof of concept: het beproeven van het model op een echte spindel. Daarvoor werkt het team samen met de universiteit van Darmstadt, waar zich een proefopstelling bevindt met een spindel voorzien van sensoren en actuatoren. Experimenten moeten aantonen dat de strategie ook in de praktijk kan werken. Han Oosterling van de afdeling Advanced Product & Production Equipment van TNO Industrie en techniek: In eerste instantie wilden we zelf een bestaande spindel aanpassen, maar dat bleek niet mogelijk. We waren dus erg blij toen we hoorden dat we in Darmstadt welkom waren. Hij vindt dat de promovendus er goed in is geslaagd om een regeling te ontwikkelen die binnen een klein toerentalgebied zijn werk doet. Het is een mooi model. Wanneer dit ook in de praktijk werkt, gaan we kijken of een spindelfabrikant geïnteresseerd is in exploitatie van het idee. Want daarvoor zal een nieuwe spindel ontworpen moeten worden. Vanuit de industrie was veel belangstelling voor het onderzoek. Jos Weterings, business development manager bij VDL Enabling Technologies Group en voorzitter van de begeleidingscommissie, legt uit waarom hij bij het project betrokken was: Wij frezen onder andere grote onderdelen voor de semiconductor- en de solar-industrie. Om de concurrentie met het Verre Oosten aan te kunnen en werkgelegenheid in Nederland te kunnen behouden, moet de productiviteit omhoog. Depth of cut Depth of cut No chatter No chatter Chatter boundary Chatter boundary Chatter Chatter Spindle speed Spindle speed Stabiliteitsdiagrammen, links zonder actief ingrijpen in de dynamische eigenschappen van de spindel, rechts met. Door in te grijpen kan in hetzelfde toerentalgebied een grotere snijdiepte worden bereikt en dus meer materiaal worden verspaand. Wanneer je chatter kunt vermijden door de machinespindel aan te passen, kun je sneller materiaal verwijderen zonder dat een operator bij de machine moet blijven. Dat maakt ze beschikbaar voor hoogwaardiger werk en dat is voor ons heel interessant. Hoewel een praktische implementatie van het project nog ver weg is, vindt Jos Weterings het toch belangrijk om op de hoogte te blijven van dergelijk onderzoek. Als eindgebruiker van frees technologie willen we graag verder automatiseren. Deze resultaten kunnen daarbij in de toekomst helpen. Marcel Aarts, R&D-manager bij SECO-Jabro, was om andere redenen geïnteresseerd in het project. Wij ontwikkelen en produceren freesgereedschappen en wilden meer weten over het fenomeen chatter. We vroegen ons af of je daar als gereedschapleverancier invloed op kunt uitoefenen. Daarmee doelt Marcel Aarts op de rol die de frees speelt bij het optreden van chatter. Kunnen wij wellicht iets aanpassen aan het gereedschap om de kans op chatter te verminderen? Heeft het optreden van chatter bijvoorbeeld te maken met de geometrie van de frees en zo ja, wat kunnen we hieraan beïnvloeden? Als je daar meer zicht op hebt, kun je je klanten beter voorlichten. Dus als er ook maar iets aan de frees valt te verbeteren, willen we van die informatie gebruikmaken. Vandaar dat SECO-Jabro freesgereedschappen beschikbaar heeft gesteld aan de onderzoekers, en op allerlei manieren praktijkkennis heeft ingebracht. Wat vindt Marcel Aarts het meest interessante aan het project? 8 IOP Precisietechnologie 9 IOP Precisietechnologie

6 Ik was verrast toen ik hoorde dat je chatter van tevoren kunt zien aankomen. Ik dacht altijd dat je hooguit de frees iets harder of langzamer kon laten lopen. Dat de mogelijkheid bestaat om in te grijpen voordat chatter optreedt, was voor mij een eyeopener. Niet alleen bij frezen kan chatter optreden, ook bij draaien komt dat voor. René van Raaij van machinefabriek Jakom weet er alles van: Wij draaien assen en walsen in extreme maatvoeringen voor bijvoorbeeld de offshore-, de drukkerij- en de textielindustrie. Onze operators zien chatter aankomen aan het licht dat op een as schijnt of aan het trillen van het koelwater. Je kunt het ook horen. Onze operators moeten nu dichtbij de draaibanken blijven om snel te kunnen ingrijpen: ze voorkomen chatter door het toerental bij te regelen, de tril lingen te dempen of zelfs de machine stil te zetten. De kennis die in het IOP-project is opgedaan op het gebied van chatter bij frezen, wil Jakom toepassen op draaien. Er is veel overlap en daar maken we graag gebruik van. Door deel te nemen aan de begeleidingscommissie kon René van Raaij bovendien zijn netwerk uitbreiden. Dankzij dit IOP zijn we bijvoorbeeld in contact gekomen met TNO en hebben we een innovatievoucher gebruikt om onze procesregeling te verbeteren. Dat is voor ons een heel tastbaar resultaat van dit project. Afhankelijkheden in kaart gebracht Fast focus on structures Hightech productieprocessen stellen hoge eisen aan de positionering van de bewerkingskop ten opzichte van het werkstuk, en dus aan het meet systeem. Eindhovense onderzoekers ontwikkelen een geavanceerde oplossing die realtime de positie van het werkstuk aanpast op basis van camerabeelden. Project: Active chatter control Doelstelling: Ontwikkelen van een regeling en demonstrator voor in-process meten en onderdrukken van chatter bij hoognauwkeurig frezen, zodat de efficiency van het freesproces twee tot drie keer verbetert Resultaten: het ontwerp van een regeling die binnen een bepaald toerentalgebied de dynamische eigenschappen van een spindel aanpast, zodat meer materiaal kan worden verspaand terwijl chatter vermeden wordt. Proof of concept (2010). Wetenschappelijke publicaties, proefschrift (2010) Publicaties en meer informatie: disciplines Bewerken, Control Contactpersoon: Han Oosterling, telefoon (040) IOP Precisietechnologie 11 IOP Precisietechnologie

7 Bij de fabricage van organische displays zoals OLED s spuit een inkjetprintkop heel precies enkele polymeerdruppels in grote aantallen ovale cupjes de pixels op een substraat. Wanneer druppels verkeerd landen of als cupjes worden gemist, wordt het display afgekeurd. Om dat te voorkomen zijn de eisen aan de positionering van de bewerkingskop boven het werkstuk hoog. Bestaande meetsystemen maken gebruik van optische plaatsopnemers en een schaalverdeling aan de rand van de tafel waarop het werkstuk zich bevindt. Maar de plaatsopnemers bevinden zich relatief ver van de bewerkingskop en het werkstuk, waardoor de meting altijd indirect is. Een ander nadeel is dat de tafel relatief slap is. Dat introduceert trillingen die onmeetbaar zijn met de gebruikelijke plaatsopnemers, en ook dat beperkt de nauwkeurigheid waarmee de kop kan worden gepositioneerd. Het liefst wil je meekijken met de bewerkingskop en op basis van dat beeld de kop precies boven het werkstuk plaatsen, vertelt promovendus Jeroen de Best van de TU/e. Dan kun je realtime bijsturen als de onderlinge afstand tussen de cupjes net iets afwijkt, of als het werkstuk een klein beetje verschuift. Wil je dat goed doen, dan moet je duizenden keren per seconde weten waar de kop zich bevindt en daarop uiterst snel reageren. Je hebt een kleine camera nodig op de bewerkingskop, snelle algoritmes om uit de beelden de nuttige informatie te halen, die te verwerken en te interpreteren en vervolgens een gesloten regellus om de tafel met daarop het werkstuk aan te sturen. Jeroen de Best ontwikkelt in dit IOP-project die regellus, begeleid door hoofddocent René van de Molengraft. Voor de beeldverwerkingsalgoritmes is een tweede onderzoeker, Roel Pieters, verantwoordelijk. Opstelling met camera hangend boven een XY-tafel. De gesloten regellus maakt gebruik van het feit dat de te bewerken producten vaak repeterende structuren bevatten. De cupjes van zo n OLEDdisplay hebben onderling steeds dezelfde afstand. Dat patroon fungeert als een soort schaalverdeling: als je met de bewerkingskop precies boven één cupje hangt, weet je ook waar de volgende zich bevindt. Met die voorkennis kun je efficiënter sturen, legt Jeroen de Best uit. Hij ontwikkelde een opstelling met een tweedimensionaal patroon van zwarte stippen op een witte achtergrond. In deze vereenvoudigde opzet representeren de stippen de cupjes en kon hij met relatief simpele beeld verwerkingsalgoritmes aan de slag. Met de huidige regellus kunnen we het centrum van een stipje op de tafel met een nauwkeurigheid van 10 micron onder de camera en dus onder de bewerkingskop plaatsen. Door de regeltechniek verder te verbeteren en deze bijvoorbeeld te laten leren van eerder gemaakte fouten, hopen we een maximale afwijking tussen 1 en 10 micron te realiseren. De werkelijkheid is veel complexer: een grid van driedimensionale cupjes in het substraat van een OLED-scherm, in plaats van het eenvoudige tweedimensionale patroon van goed te onderscheiden zwarte stippen op een witte achtergrond. Hoewel de cupjes in principe identiek zijn, oogt elk cupje toch anders, legt Roel Pieters uit. Het beeld dat de camera duizend keer per seconde aanlevert, is dus veel complexer om te verwerken, bijvoorbeeld omdat de lichtintensiteit varieert. De beelden hebben een lage resolutie, dus je hebt per beeld relatief weinig pixels ter beschikking. Het benodigde beeldverwerkingsalgoritme om het middelpunt van een cupje te vinden, is door dat alles veel ingewikkelder dan wat Jeroen nu in zijn opstelling gebruikt. Als ik straks de algoritmes klaar heb, combineren we die met zijn geoptimaliseerde regellus. Het is de bedoeling daarmee praktijkproeven te doen op een productiemachine. Voor de groepen Dynamics & Control en Control Systems Technology van de TU/e is het onderwerp vision en motion control in hightechsystemen relatief nieuw, vertellen de hoogleraren Henk Nijmeijer en Maarten Steinbuch. We zagen enkele jaren geleden dat dit thema steeds belangrijker wordt en zijn er kennis over gaan opbouwen. Dat hebben we onder andere gedaan door een tafelvoetbalspel te ontwikkelen, waarbij menselijke spelers het opnemen tegen de tafel. Een camera volgt daarbij de bal en een regelsysteem stuurt op basis van honderd beelden per seconde de stangen met de spelers van de ene partij aan. Het bleek een gouden greep: niet alleen leverde het kennis en ervaring op, maar ook bleek het een aansprekende demonstrator die studenten trekt en het goed doet in de media: het televisieprogramma Klokhuis wijdde er een uitzending aan. Structuur van OLED-display (boven) en dezelfde structuur zoals een camera met lage resolutie die ziet. 12 IOP Precisietechnologie 13 IOP Precisietechnologie

8 Voorzitter van de begeleidingscommissie van Fast focus on structures is Hugo Menschaar, tot voor kort werkzaam bij BE Semiconductor Industries (BESI) in Duiven. Hij vindt de uitdaging van dit project vooral om op basis van grote hoeveelheden videobeelden snel de juiste informatie te destilleren. De resultaten zorgen voor vaste grond onder onze voeten bij het maken van een machineontwerp Zo n algoritme schud je niet zomaar uit je mouw, daar is heel elementaire wiskunde voor nodig. Een regellus die op basis daarvan nauwkeurig kan positioneren is in allerlei machines welkom, licht hij toe. Want snel en efficiënt reageren op onverwachte situaties is heel lastig. Dit onderzoek raakt de kern van een heel principieel probleem. BESI ontwikkelt apparatuur voor de IC-industrie om chips te maken van wafers. Dat vergt een immense hoeveelheid robotica. Des te sneller en handiger onze apparatuur werkt, hoe lager de kosten van de chip worden. Vandaar dat BESI uitermate geïnteresseerd is in dit IOP-project. Wim Hoeks van engineeringbureau BrainCenter heeft een andere reden om deel te nemen aan de begeleidingscommissie: Wij leveren automatiseringsoplossingen voor fabricagedoeleinden. Een belangrijke activiteit daarin is automatische visuele inspectie. Als systeemontwerper van vision-applicaties doe ik in dit project kennis op over hoe we ons concept voor visuele inspectie van producten zoals glasplaten kunnen verbeteren en versnellen. BrainCenter is voortgekomen uit de voormalige bedrijfsmechanisatieafdeling van Philips Display Components. Het bedrijf heeft al veel ervaring met automatische visuele inspectie van metalen en glazen componenten. Aangezien kleine herhalende patronen vaak onderdeel zijn van materialen met hoge toegevoegde waarde (zoals autoruiten met ingebouwde verwarming) zijn we op zoek naar slimme methodes om die patronen te meten en te inspecteren. Inkjetprinter voor het industrieel printen van displays, geheugen- of zonnecellen. Heel waardevol vindt Peter Brier, technical manager Ink Jet Printing bij OTB Solar, nu al de resultaten van dit IOP-project. Door dit onderzoek ben ik veel aan de weet gekomen over de mogelijkheden en onmogelijkheden van vision control. De afhankelijkheden zijn in kaart gebracht en we weten nu beter wat op dit moment de technische grenzen zijn aan meetfrequenties en nauwkeurigheden. Dat geeft ons vaste grond onder de voeten bij het maken van een machineontwerp. Ook kunnen we hierdoor de risico s bij de implementatie ervan beter inschatten. OTB Solar was in eerste instantie in de technologie geïnteresseerd vanwege haar displayactiviteiten. Nu ziet Peter Brier ook mogelijkheden bij de fabricage van dunne film groot formaat zonnecellen. De productiestappen daar gaan steeds meer lijken op die bij het inkjetprinten van displays. Grote zonnepanelen worden opgebouwd uit laagjes, en een van de technologieën om die aan te brengen is inkjetprinten. Je hebt dus dezelfde problematiek: je wilt precies zien waar je op zo n groot substraat bezig bent. Die toepassing hadden we bij aanvang van het project niet bedacht. Project: Fast focus on structures Doelstelling: het ontwikkelen van een flexibel, low cost, geminiaturiseerd meetsysteem voor het nauwkeurig positioneren van een bewerkingskop boven een product Resultaten: beeldverwerkingsalgoritmen en een gesloten regellus, een demonstratieopstelling die een werkstuk onder een camera kan positioneren met een nauwkeurigheid van (momenteel) 10 micron Publicaties en meer informatie: disciplines Precisietechnologie, Control, Sensoren Contactpersoon: Maarten Steinbuch, m.steinbuch@tue.nl, telefoon (040) / IOP Precisietechnologie 15 IOP Precisietechnologie

9 Master-slave robot voor oogchirurgie Eye RHAS Oogchirurgen moeten bij hun operaties uiterst voorzichtig te werk gaan om schade aan zeer kwetsbare weefsels te voorkomen. De Eye Robot for Haptic Assisted Surgery (Eye RHAS) die in Eindhoven wordt ontwikkeld, kan hen hierbij helpen. De onderzoekers ontwikkelen een demonstratiemodel van een robot die het werk van oogchirurgen verlicht. Neem bijvoorbeeld een veel voorkomende aandoening als Epiretinale Membrane, waarbij aan de binnenkant van de oogbol een soort littekenweefsel op het netvlies groeit. Om dat heel voor zichtig los te maken en te verwijderen, brengt een oogchirurg via kleine incisies een pincet en een schraper in de oogbol. Bij zo n ingreep fungeert de incisie als draaipunt: beweegt de chirurg zijn hand naar rechts, dan gaat het instrument in de oogbol naar links. Ook boven en onder zijn verwisseld. Door training zijn chirurgen daaraan gewend geraakt, maar eenvoudig is het niet. Bovendien komen zij letterlijk handen te kort: bij gebruik van een endoscoop (een miniatuur camera die in de oogbol wordt gebracht) in plaats van een operatiemicroscoop (waarmee via de ooglens naar het operatiegebied wordt gekeken), houdt een chirurg voor de ingreep slechts één hand over. Hoewel het nog enkele jaren kan duren voordat deze technologie in een operatiekamer te vinden is, zie ik er allerlei voordelen in overigens niet zelf, maar is meer een telemanipulator. De chirurg bedient een console, de master, die de handbewegingen omzet in signalen die een slave aansturen. De slave zet de signalen om in instrumentbewegingen. Het grote voordeel is dat de chirurg zijn bewegingen niet meer hoeft te spiegelen en beide handen vrij heeft om te opereren. Nadelen zijn dat de Da Vinci voor oogoperaties niet nauwkeurig genoeg is en geen krachtterugkoppeling heeft: de chirurg gaat af op wat hij ziet, hij voelt niets. Operatierobots als de Da Vinci, die in enkele Nederlandse ziekenhuizen in gebruik is, lossen een deel van deze problemen op. Zo n robot opereert Huidige werkwijze bij oogchirurgie. 16 IOP Precisietechnologie 17 IOP Precisietechnologie

10 Oogchirurg aan het werk met de haptische master-slave robot. Aan juist die bezwaren komt het IOP-project Eye RHAS tegemoet, zegt hoogleraar Maarten Steinbuch van de groep Control Systems Technology van de TU/e, waar hij enkele jaren geleden het onderzoeksgebied medische robotica startte. Door een krachtsensor aan te brengen in de slave biedt de Eye RHAS wél haptische feedback, waardoor oogchirurgen zelfs de kleinste ribbeltjes kunnen voelen. En uiteraard zal de Eye RHAS voldoen aan hun nauwkeurigheidseisen. Het IOP-project maakt deel uit van een groter geheel aan onderzoeken op het gebied van geavanceerde medische robotica. Zo wordt er in de groep met subsidie van STW een slave ontwikkeld voor buik- en thoraxchirurgie en is er het project Haptic feedback in medical robots van het IOP Mens Machine Interactie. In het IOP MMI project werken nog eens twee promovendi aan de regeltechnische en mensgerelateerde aspecten van haptische terugkoppeling bij medische robots en recent is een onderzoek gestart op het gebied van vaatchirurgie. We werken onder andere samen met het Maastricht UMC en het Catharina Ziekenhuis Eindhoven. Aan de Eye RHAS werken twee promovendi, Thijs Weenink en Ron Hendrix; zij worden begeleid door hoofddocent Nick Rosielle. Thijs en Ron woonden ruim twintig oogoperaties bij en spraken met oogchirurgen om te zien hoe het er in een operatiekamer (OK) aan toe gaat en alle requirements te inventariseren. Ron ontwikkelt de master, Thijs de slave. Ron Hendrix vertelt: Het was heel leerzaam om te zien hoe een OK is ingericht, wie wat doet en welke vrijheidsgraden bij een operatie van belang zijn. Omdat krachtterugkoppeling voor de TU/e relatief nieuw is, is er eerst een demonstratiemodel gemaakt met slechts één graad van vrijheid. Daarna is er een conceptontwerp gemaakt van een master met meerdere graden van vrijheid. Met deze bedieningsconsole moet een oogchirurg zo intuïtief mogelijk kunnen werken, alsof hij de instrumenten rechtstreeks hanteert. De haptische pen is een belangrijk onderdeel van de master; de eerste versie daarvan zal in het voorjaar van 2010 worden getest met de slave die de TU/e voor buik- en thoraxchirurgie ontwikkelt, en met een virtuele slave van TNO. Op basis van die ervaringen zal de master verder worden verbeterd. Thijs Meenink, die een jaar later van start ging, ontwierp de slave. Deze instrumentmanipulator is voorzien van een geïntegreerd wisselsysteem voor bijvoorbeeld een schraper, schaartje, pincet, vitrectoom of lichtbron. De chirurg kan het wisselsysteem met een druk op de knop bij de master bedienen, legt hij uit. Bij het wisselen moet het nieuwe instrument heel nauwkeurig in dezelfde richting en door hetzelfde gaatje met een doorsnede van een halve millimeter als het verwijderde instrument worden ingebracht. Het viel me bij de operaties opdat dit relatief lang duurt en veel handelingen vergt. Dat moet sneller en veiliger kunnen. Voor de krachtterugkoppeling bevat de slave een sensor die tot op een millinewton kan meten. Dat is ver onder de detectiegrens van de mens. Als je dit versterkt terugkoppelt naar de master maakt je het de chirurg veel makkelijker om dunne membranen te pakken te krijgen. De slave kan op micrometerniveau positioneren, wat ook veel nauwkeuriger is dan wat een mens kan. Prototype van het demonstratiemodel van de master, met op de rechterfoto de haptische pen in de hand. Het eerste ontwerp van de manipulator wordt momenteel gerealiseerd in de instrumentmakerij. Terwijl de mechanische ontwikkeling van master en slave bij de TU/e plaatsvindt, zorgt TNO Industrie en Techniek voor de regeltechniek om de door de slave waargenomen krachten door te voeren naar de bedieningsconsole. TNO heeft in steeds meer projecten te maken met haptic control, vertelt projectleider Bas de Kruif. Dat biedt niet alleen mogelijkheden in medische robotica, maar we zien ook toepassingen in de ruimtevaart. Door de samenwerking met de TU/e kunnen we onze fundamentele kennis op dit gebied vergroten. TNO ontwikkelde voor het project de eerdergenoemde virtuele slave. Daarmee kan een chirurg de ergonomie testen van de door Ron Hendrix ontworpen master. 18 IOP Precisietechnologie 19 IOP Precisietechnologie

11 Bas de Kruif is enthousiast over het ontwerp van zowel master als slave: Het zit mooi in elkaar en is statisch goed bepaald, met een minimum aan wrijving en speling. Oogchirurg Marc de Smet, hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam, is als medisch adviseur bij het projectteam betrokken. Hij zal het prototype van de Eye RHAS uittesten en de promovendi van feedback voorzien. Hoewel het nog enkele jaren kan duren voordat deze technologie in een operatiekamer te vinden is, zie ik er allerlei voordelen in, zegt hij. Behalve dat je de vrijheid hebt om meerdere instrumenten te bedienen, vind ik het een groot voordeel dat de robot een endoscoop kan vasthouden. Wanneer door een aandoening de doorzichtigheid van het glasachtig lichaam van het oog beperkt is, heb je met een endoscoop meer zicht dan met de operatiemicroscoop die door de ooglens kijkt. Haptische terugkoppeling is nieuw; ik ben nieuwsgierig naar de meerwaarde daarvan. Wat ik ook hoop is dat je door het gebruik van de robot een kleinere ruimte rondom het hoofd steriel hoeft te houden. Dat zou kunnen betekenen dat je op termijn ook buiten een OK oogingrepen kunt verrichten. Met office based surgery ben je veel flexibeler en ontlast je de OK. Hij waarschuwt wel dat adoptie door artsen en ziekenhuizen veel tijd zal vergen: Je zult moeten aantonen dat de technologie tijd en dus geld bespaart. Naast meerdere oogartsen nemen ook bedrijven deel aan de begeleidingscommissie. Emile Briaire van EBtech is een van hen. In de tijd dat ik bij CCM werkte ben ik bij diverse roboticaprojecten voor productieomgevingen betrokken geweest. Ook nu, vanuit mijn eigen bedrijf, heb ik ermee te maken. Ik zie vooral veel in haptische feedback: als een oogchirurg beter kan voelen wat hij doet, moet dat toegevoegde waarde hebben, met name wanneer de haptische feedback wordt versterkt zodat normaal onvoelbare zaken met behulp van dit systeem toch voelbaar worden. Ik zie ook veel voordeel in het kunnen afbakenen van bewegingen, zodat een chirurg niet kan uitschieten. Verder kunnen de bewegingen van de chirurg worden gefilterd, waardoor ongewenste trillingen worden voorkomen. Ik kan me voorstellen dat er nog flink wat stappen gezet moeten worden voordat je zo n robot in een OK ziet staan, maar ik kijk ernaar uit daaraan mee te werken. Ontwerp van de slave met instrumentmanipulatoren en magazijn voor drie instrumenten. Piet Lammertse is business manager Robotica bij Moog in Nieuw-Vennep. Waarom is hij geïnteresseerd in de Eye RHAS? Heel concreet: ik zou straks graag de technologie vermarkten, zegt hij enthousiast. Het project zit technisch leuk in elkaar. Van huis uit maken wij stuurknuppels en motion platforms voor vluchtsimulatoren. Met die technologie zijn we enkele jaren geleden de medische markt opgegaan. Zo hebben we een haptische master ontwikkeld die wordt gebruikt bij neurologische revalidatie en een trainingsomgeving voor tandartsen in opleiding die bestaat uit een haptische boor en een virtual reality omgeving. Door die projecten kan hij veel kennis en ervaring inbrengen op het gebied van haptische terugkoppeling. Andersom biedt het lidmaatschap van deze begeleidingscommissie hem allerlei voordelen: Je krijgt een blik op een andere markt. En niet te vergeten: als bedrijf zijn we erg blij dat de TU/e kennis opbouwt van haptiek en mensen in deze richting opleidt. Daar profiteren we als bedrijf ook van. Project: Eye RHAS Doelstelling: het ontwikkelen van een demonstratiemodel van een haptische master-slave robot voor vitroretinale oogchirurgie Resultaten: demonstratiemodel van een master-slave robot met instrumentwisselaar aan de slavezijde. Wetenschappelijke publicaties, twee proefschriften (2011) Publicaties en meer informatie: disciplines Medische technologie, Control, Sensoren Contactpersoon: Bas de Kruif, b.dekruif@tno.nl, IOP Precisietechnologie 21 IOP Precisietechnologie

12 Haalbaarheid concept aangetoond Contactloos producttransport en positioneren Producten zoals wafers of silicium zonnecellen zijn bijzonder kwetsbaar. Om de kans op productbeschadiging te minimaliseren, is elk contact ongewenst. Daarom ontwikkelen Delftse onderzoekers een systeem dat fragiele vlakke producten kan transporteren en positioneren zonder ze aan te raken. De producten zweven namelijk op lucht. Array van 6 bij 6 kamers. Bestaande transportsystemen werken met grijpertjes aan een robotarm of ondersteunen het product langs de rand. Producten laten zweven op een dunne luchtlaag is een heel ander, maar op zich niet nieuw principe. Bewerkingsstations van ASM International maken hiervan bijvoorbeeld al gebruik. Wel nieuw is om de luchtfilm actief te controleren, zodat je een product contactloos kunt transporteren en op de plaats van bestemming heel nauwkeurig kunt positioneren, vertelt Ron van Ostayen van de TU Delft. Dat is dan ook het doel van dit IOP-project, waarvan Ron van Ostayen samen met Jo Spronck de dagelijkse leiding heeft. Het Delftse idee, dat voorafgaand aan het project werd gepatenteerd, is om de luchtlaag met een dikte van 20 tot 30 micrometer zowel qua snelheid als qua richting actief aan te sturen. Dat gebeurt door lucht te leiden naar kamers van 10 bij 10 millimeter en 20 micrometer diep, die zijn aangebracht in het oppervlak van het transportsysteem. Daardoor ontstaat in en tussen de kamers een luchtstroming, waarop het product niet alleen zweeft maar zich ook kan verplaatsen. Intussen is de werking van het concept met demonstrators aangetoond en kan een product in één richting worden gepositioneerd. Het is de bedoeling van de onderzoekers dat de volgende demonstrator kan positioneren met 6 graden van vrijheid. Promovendus Jasper Wesselingh is verantwoordelijk voor het systeemontwerp en het bijbehorende regelsysteem. Hier komen allerlei disciplines bij elkaar, zegt hij. Je hebt kennis nodig van dynamica en van stromingsleer, van sensoren om druk, positie en stroming te meten en van regeltechniek om met kleppen de juiste hoeveelheid lucht bij te sturen. Het is een typisch mechatronisch project. Voor de praktische realisatie van de ondiepe vierkante kamers maakt hij gebruik van een bestaand lithografisch proces: Op een basisplaatje laten we een laagje van micrometer metaal aangroeien, waarbij met behulp van een fotomasker meteen de aan- en afvoergaatjes worden aangebracht. Vervolgens ets je de kamers eruit. Dat moet allemaal spanningsvrij en behoorlijk nauwkeurig gebeuren, want iedere afwijking beïnvloedt de luchtstroming enorm. Het systeemontwerp van Jasper Wesselingh haalde eind 2009 de halve finale van de tweejaarlijks gehouden Delft Design Competitie (zie zijn YouTube-filmpje, te vinden via zoekwoord Wafercontrol). 22 IOP Precisietechnologie 23 IOP Precisietechnologie

13 Demonstrator van het systeem met een wafer, zwevend op een luchtlaag van micrometer (foto Stephan Blazis). De tweede promovendus is Jeroen van Rij, die zich bezig houdt met fundamenteel stromingsonderzoek. Zijn berekeningen geven bijvoorbeeld inzicht in de invloed van de geometrie van de kamers op de tractiekrachten die op het product worden uitgeoefend. De berekeningen komen tot nu toe goed overeen met de gemeten tractiekrachten, vertelt hij. Lastiger is het om berekeningen te valideren van het gedrag van de luchtstroom tussen kamers en product. Want als je sensoren zou aanbrengen in de luchtlaag verstoor je de stroming. Met Pressure Sensitive Paint (PSP) is meten zonder verstoring wel mogelijk. Wanneer een glasplaat voorzien van deze verf boven de kamers wordt aangebracht, treedt afhankelijk van drukverschillen verkleuring op. Die is met een speciale lichtbron te zien en zo kunnen de berekeningen worden gevalideerd. Het is daarnaast de bedoeling met PSP de effecten van verschillende kamergeometrieën te onderzoeken. Je kunt bijvoorbeeld, om turbulentie te voorkomen, V-vormige groeven aanbrengen in de bodem van de kamers. Een andere interessante variant is om de lucht niet via kanalen maar via een spleet of via poreus materiaal toe te voeren. Dat laatste zou werveltjes uit de stroom moeten halen. Met PSP maak je dat zichtbaar. Hoogleraar Mechatronica Jan van Eijk noemt het een oude droom om silicium wafers in een waferstepper te kunnen aandrijven en positioneren zonder drager. Dragers introduceren extra gewicht. Naarmate je een product sneller en grotere bewegingen wilt laten maken, zijn de benodigde krachten steeds groter en introduceer je ongewenste trillingen, legt hij uit. Behalve voor de IC-industrie is contactloos producttransport ook een uitkomst voor de productie van zonnecellen en glasplaten voor flat panels. Doel van het project was om uit te zoeken óf en hoe goed we ermee kunnen transporteren en positioneren. Ik ben positief verrast dat een regelfrequentie van zo n 100 Hz haalbaar lijkt. Een op lucht gebaseerd systeem is relatief langzaam en we hoopten op Hz. Daar gaan we dus dik overheen. Het IOP-project staat bij de TU Delft niet op zichzelf: parallel aan dit onderzoek vindt in de groep Mechatronics System Design een Kenniswerkersproject plaats naar vergelijkbare technologie. Systeemontwerp. Het IOP-project krijgt zeker een vervolg, vertelt Jan van Eijk: In het huidige project kijken we naar relatief kleine producten ter grootte van een wafer. Dat willen we uitbreiden naar grotere producten. Ook gaan we de mogelijkheden van kleinere luchtkamers en meer luchttoevoerkanaaltjes onderzoeken. Bovendien ligt er een uitdaging op het gebied van productietechniek: zo n transportsysteem moet je wel economisch haalbaar kunnen produceren. Piezo valve Restrictor Pressure port Hole plate Supply manifold Cover Optical sensor Wafer Wire spring Vacuum port Pressure sensor Peter du Pau volgt het project als lid van de begeleidingscommissie van dichtbij. Als senior mechatronics engineer bij OTB Solar ontwerpt hij onder andere productieapparatuur om silicium om te vormen tot zonnecellen. Omdat het breukrisico bij multikristallijn silicium plakken zo groot is, proberen we het overpakken en stoten tot een minimum te beperken. Het zou enorm schelen als we de dunne wafers op een luchtbedje kunnen transporteren. Dit project heeft aangetoond dat het inderdaad mogelijk is. Ik vind het erg leuk dat het concept met de kamertjes werkt! Maar het is best complex en dus niet verbazingwekkend dat er nog heel wat moet gebeuren voordat we het industrieel kunnen toepassen. Het is een oude droom om wafers zonder drager te kunnen aandrijven en positioneren Jos Gunsing is business developer bij NTS Mechatronics en lector bij Avans Hogeschool. Net als Peter du Pau is hij lid van de begeleidingscommissie. NTS Mechatronics ontwerpt en bouwt mechatronische systemen en modules die derden op de markt brengen, zoals pick & place machines voor de halfgeleiderindustrie en grote inkjetprinters. De haalbaarheid van het concept is voor een groot deel al overtuigend bewezen en de resultaten van dit IOP-onderzoek zijn heel breed inzetbaar, vindt hij. Ik vind het knap dat het de promovendi gelukt is om met lucht een wafer te positioneren. En hoewel lucht een vrij traag reagerend medium is, kun je met het systeem toch vrij snel op gemeten afwijkingen reageren. Jos Gunsing is graag van dichtbij bij zulke projecten betrokken. 24 IOP Precisietechnologie 25 IOP Precisietechnologie

14 Naast de concrete mogelijkheden die de technologie biedt, is een ander voordeel dat je via zo n begeleidingscommissie je netwerk vergroot. Andersom breng je ook je eigen netwerk in: zo heb ik een bedrijf dat ik via Avans leerde kennen in contact gebracht met de TU Delft. voornamelijk klantspecifieke meetsystemen voor de halfgeleider- en de automobielindustrie. Daarnaast gebruikt en levert het bedrijf luchtlagers, die vaak worden gebruikt als drager van glas voor flat panel displays. We vonden het aanvankelijk een behoorlijk wild idee dat je een product niet alleen op lucht laat zweven, maar het ook naar de juiste plaats kunt brengen. Dan moet de lucht namelijk behoorlijk wat wrijving veroorzaken. Dit onderzoek heeft aangetoond dat die kracht groot genoeg is en door deze proof of principle is onze scepsis weggenomen. Hij vindt het een typisch IOP-project: behoorlijk fundamenteel maar met voldoende commerciële belangen. Dat maakt de regeling zo uniek. Voor ons bedrijf zijn dit soort onderzoeken van doorslaggevend belang, hier kunnen we echt mee verder. Project: Contactloos producttransport en positioneren Doelstelling: Ontwikkelen van een systeem om vlakke fragiele dunne producten door middel van een actief gestuurde luchtfilm contactloos te transporteren en met submicrometernauwkeurigheid te positioneren Resultaten: demonstrators met een positioneerfout van 100 nanometer, fundamenteel stromingsonderzoek, publicaties in wetenschappelijke tijdschriften. Zie ook het YouTube-filmpje dat Jasper Wesselingh maakte voor de Delft Design Competitie (zoekwoord Wafercontrol) Publicaties en meer informatie: discipline Control Contactpersoon: Ron van Ostayen, r.a.j.vanostayen@tudelft.nl, telefoon (015) Nieuwste demonstrator. Ook Henny Spaan van IBS Precision Engineering is enthousiast over de behaalde resultaten. Dit Eindhovense ingenieursbureau is gespecialiseerd in precisietechnologie en ontwikkelt en assembleert 26 IOP Precisietechnologie 27 IOP Precisietechnologie

15 Een interessante testopstelling Picodriftmeter en Verplaatsingsinterferometrie De lengtemeettechniek is zo ver geëvolueerd, dat hinder ontstaat door onbedoelde en onbeheersbare beweging drift op picometerniveau. Het IOP-project Picodriftmeter (door TNO, VSL en TUDelft) ontwikkelde een platform om deze picodrift te kunnen meten. TU Delft promovendus Jon Ellis heeft daarbij nauw samengewerkt met postdoc onderzoeker Ki-Nam Joo van het gelijktijdig uitgevoerde IOP-project Verplaatsingsinterferometrie met sub-nanometer onzekerheid. Laserinterferometrie wordt onder meer gebruikt voor kalibratiedoeleinden en als meetsysteem in de lithografie-industrie. Aan de daar gebruikte precisiesystemen worden steeds hogere eisen gesteld en nauwkeurigheden in het sub-nanometergebied zijn geen uitzondering meer. Een van de belangrijkste problemen daarbij is dat zich in het meetsysteem van de interferometer effecten voordoen die afwijkingen van het meetresultaat veroorzaken. Zo beïnvloedt de brekingsindex van lucht de golflengte van licht, terwijl dat juist als referentie dient bij de meting. Kleine veranderingen in temperatuur en druk hebben grote gevolgen voor die brekingsindex, en daarmee voor de golflengte van de gebruikte laserstraal, legt postdoc Ki-Nam Joo van de TU Delft uit. Wanneer de omgevingstemperatuur bijvoorbeeld één graad verandert, maakt dat voor de interferometer een verschil van een micrometer per meter. Tot nu toe wordt dit probleem opgelost door de brekings index van lucht softwarematig te corrigeren op basis van de temperatuur en druk ten tijde van de meting, of door gebruik te maken van een mechanisch-thermisch stabiele referentie-interferometer. Ki-Nam Joo koos voor een andere oplossing. In plaats van gebruik te maken van een gestabiliseerde frequentie bron en vervolgens de golflengte te corrigeren, heeft hij een stabiele golflengtebron ontwikkeld die onder alle omstandigheden dezelfde golflengte uitzendt. Daardoor is achteraf compenseren voor afwijkingen niet nodig, legt hij uit. De nieuwe laserbron is niet alleen stabiel, maar heeft ook een veel hoger vermogen dan gebruikelijk. De huidige eerste versie heeft een vermogen van 2,5 mw, maar we verwachten dat te optimaliseren tot 4 mw. Een mooie spin-off van het onderzoek. Op basis van de laserbron heeft Kin-Nam Joo een nieuw ontwerp van de laserinterferometer gemaakt. Deze nieuwe interferometer heeft geen meetbare periodieke fouten (< 20 picometer) en heeft tevens een twee maal zo hoge resolutie dan bestaande systemen. De afmetingen zijn beperkt tot vuistgrootte. Op het ontwerp is patent aangevraagd. Drift materiaalstabiliteit gaat een steeds grotere rol spelen. Met deze opstelling kan het gedrag van materialen en verbindingen worden onderzocht Het onderzoek van Ki-Nam Joo is het vervolg op het eerder in Eindhoven uitgevoerde IOP-project Sub-nanometer interferometrie. Daar is een hoog waardige meetfaciliteit gebruikt voor sensoren op nanometerniveau met onzekerheden in de orde van 1 nanometer bij een slag van 300 micrometer en een systeem ontwikkeld met onzekerheid in de orde van 0.3 nm bij een slag van 1 µm. Ook voor dit systeem maakte Ki-Nam Joo een redesign proposal. 28 IOP Precisietechnologie 29 IOP Precisietechnologie

16 Demonstrator van de picodriftmeter. Door dezelfde functionaliteit slim te integreren in een vier keer zo korte Fabry-Pérot cavity is het systeem minder gevoelig voor temperatuurschommelingen en mechanische trillingen, met behoud van de in het eerdere project gerealiseerde resolutie. Promovendus Jon Ellis, eveneens van de TU Delft, werkte in dezelfde periode aan een picodriftmeter, een laserinterferometer om picodrift mee te meten. Picodrift is het verschijnsel dat statische onderdelen, zoals spiegels en lenzen, zich onbedoeld in de tijd verplaatsen of vervormen, legt hij uit. Dat komt doordat in het materiaal of de constructie veranderingen optreden door verouderingsprocessen, temperatuurschommelingen of mechanische spanning. Wanneer sub-nanometernauwkeurigheid wordt geëist, gaat picodrift een steeds grotere rol spelen, maar er is nauwelijks kennis over de stabiliteit van materialen en het gedrag van constructie-elementen. Om die kennis op te bouwen is een stabiel meet platform nodig, dat zelf zo min mogelijk last heeft van picodrift. Zo n systeem moet volledig optisch gebalanceerd zijn en geen last hebben van de eerdergenoemde fouten, veroorzaakt door variaties in de brekingsindex van lucht. Jon Ellis ontwikkelde en maakte mede op basis van de onderzoeksresultaten van Ki-Nam Joo verschillende versies van een picodriftmeter. Het is de bedoeling daarmee onderzoek te doen naar de stabiliteit van materialen en constructies. Daarvoor bestaat veel interesse, vertelt Jon Ellis. Want zonder fundamentele kennis is drift een soort zwarte magie. Toch wil je precies weten hoe bijvoorbeeld spiegels op een satelliet zich zullen gedragen als je die voor dertig jaar de ruimte in stuurt. Samen met Ki-Nam Joo heeft Jon Ellis ook nog een nieuw frequentiestabilisatieconcept uitgewerkt voor een 3-frequentielaser; hierop is een patent aangevraagd. Omdat de twee onderzoeken inhoudelijk zo dicht bij elkaar lagen, werkten Ki-Nam en Jon in de praktijk samen alsof het één project is, vertelt Jo Spronck, die de dagelijkse leiding over het onderzoek bij de TU Delft had. Dat lijkt logisch, maar lukt in de praktijk niet altijd. We hebben geluk gehad bij de keuze van deze onderzoekers. Rob Munnig Schmidt, hoogleraar Mechatronic Design, voegt toe: Ze vullen elkaar goed aan wat betreft kennis en achtergrond en hebben geen last van het not invented here syndroom. Omdat we in Delft na de opheffing in Eindhoven een metrologiegroep zijn gaan opbouwen, begonnen ze met vrijwel niets. Ondanks dat hebben ze veel bereikt. Voor Kin-Nam Joo zitten de werkzaamheden erop, hij gaat bij Mitutoyo Research in Best werken. Jonathan Ellis heeft nog een jaar om zijn proefschrift af te maken. Picodrift is het verschijnsel dat statische onder delen, zoals spiegels en lenzen, zich onbedoeld in de tijd verplaatsen of vervormen Voor TNO is de picodriftmeter een interessante testopstelling, zegt Ad Verlaan van TNO. Wij zijn betrokken bij meerdere ruimtevaartmissies, waarvoor wij onderdelen leveren. In een binnenkort te starten project moeten we het materiaalgedrag op 2 picometer nauwkeurig kunnen aantonen, maar we kunnen picodrift vrijwel nergens testen. Daarvoor is deze picodriftmeter een goed begin. Voor de beperkte omvang van dit IOP-project vindt Ad Verlaan de output heel goed. Het is behoorlijk lastig om voldoende performance te halen. Het doel was om een lengteverandering van tientallen picometers over enkele uren te kunnen aantonen, wat behoorlijk ambitieus is, want commercieel verkrijgbare interferometers bevinden zich in het nanometergebied. Als we een factor tien hoger uitkomen, wat ik wel verwacht, ben ik al heel tevreden. Rob Bergmans, wetenschappelijk medewerker bij het Nederlandse metrologie-instituut VSL, vindt dat ook. Er is een basis om op voort te bouwen, zegt hij. VSL wil basiskennis opbouwen over picodrift in materialen en verbindingen. Hiermee kunnen meetinstrumenten en high tech productiemachines beter voor drift gecompenseerd worden, waardoor kalibratie minder vaak nodig is. Dat kalibreren gaat bijvoorbeeld met behulp van eindmaten, die zelf ook weer last hebben van picodrift. Het is een beetje een kip-ei verhaal, maar de bottom-line is dat we met meer kennis kunnen besparen op de kosten van kalibratie. Ook voor onderzoek dat VSL in opdracht van bedrijven uitvoert, is de picodriftmeter van belang. Rob Bergmans noemt als voorbeeld IBS Precision Engineering, dat klantspecifieke hoognauwkeurige meetinstrumenten ontwikkelt en gebruik wil maken van nieuwe materialen als siliciumcarbide. Er komen, onder andere door nanotechnologie, steeds meer met nanodeeltjes versterkte materialen op de markt. 30 IOP Precisietechnologie 31 IOP Precisietechnologie

17 Conceptopstelling interferometer. Die hebben positieve eigenschappen wat betreft stijfheid en levensduur, maar over de stabiliteit van de dimensies is weinig bekend. Dat kun je met een picodrift meter onderzoeken. Ook bij de keuze van een lijmsoort voor verbindingen is het van belang om te weten wat daarvan de gevolgen zijn, voegt hij toe. Suzanne Cosijns promoveerde in 2004 aan de TU/e op het eerdergenoemde IOP-project Sub-nanometer interferometrie. Nu is zij senior design engineer bij de afdeling Mechatronic systems development van ASML. Ieder onderzoek op het gebied van precisiemeetsystemen is van belang voor ASML, vertelt zij. Daar willen we dan ook graag bij betrokken zijn. Picodrift gaat in onze lithografiesystemen een steeds grotere rol spelen en wij vinden het belangrijk dat er een opstelling is waarmee het gedrag van materialen en verbindingen kan worden onderzocht. Door deze twee projecten als één geheel uit te voeren, kon er kruisbestuiving optreden. De nieuwe aanpak en benaderingswijze hebben geleid tot een mooi resultaat. Er is niet voor niets een patent op verleend. Ze is blij dat door de nieuwe metrologiegroep in Delft de kennis op dit gebied in Nederland behouden blijft en op universitair niveau verder wordt ontwikkeld. Daar is veel behoefte aan, niet alleen bij ASML maar ook bij anderen. Dat zie je terug in de grootte van de begeleidingscommissie. Kees Bos, Europees sales manager voor laserinterferometrieproducten van Agilent, is het met haar eens: Bij het vertrek van professor Schellekens van de TU/e waren we ongerust dat deze onderzoekstak uit Nederland zou verdwijnen, zegt hij. Gelukkig is het nu in Delft opgepakt. Er zijn in de wereld niet zoveel plaatsen waar mensen voor dit vakgebied worden opgeleid. Hoewel materiaalonderzoek niet direct tot de aandachtsgebieden van Agilent behoort, is het bedrijf wel geïnteresseerd in ontwikkelingen in de achterliggende interferometrietechnieken. Vandaar dat Agilent apparatuur beschikbaar heeft gesteld en de onderzoekers heeft ontvangen in het ontwikkellaboratorium in de VS. Agilent hoopt samen met de TU Delft vervolgonderzoek te doen. Project: Picodriftmeter Doelstelling: ontwikkeling en realisatie van een platform voor het bepalen van driftgedrag in minimaal één dimensie van materialen en materiaalverbindingen, met een nauwkeurigheid van minimaal 10 picometer over 100 seconden of 100 picometer over een periode van 3 weken Resultaten: optische gebalanceerde opstelling met laserinterferometer voor het bepalen van picodrift. Frequentiegestabiliseerde 3-mode laser van 2,5 mw. Een patent, wetenschappelijke journal publicaties en bijdragen aan diverse conferenties, een proefschrift (begin 2011). Publicaties en meer informatie: disciplines Optica, Precisietechnologie Contactpersoon Picodriftmeter: Dario Lo Cascio, dario.locascio@tno.nl, (015) Project: Verplaatsingsinterferometrie Doelstelling: ontwerp en constructie van een verplaatsingsinterferometer met sub-nanometer nauwkeurigheid over een afstand van 300 mm Resultaten: Compacte laserinterferometer zonder periodieke fouten (< 20 pm) en dubbele resolutie ten opzichte van een standaardinterferometer. Op het ontwerp is patent aangevraagd. Een redesign voor een vier keer zo korte Fabry-Pérot cavity. Een stabiele laser golflengtebron van 2,5 mw, die zich automatisch aanpast aan de veranderende brekingsindex in lucht. Een patent, wetenschappelijke journal publicaties en bijdragen aan diverse conferenties. Publicaties en meer informatie: portaal.nl, disciplines Optica, Precisietechnologie Contactpersoon Verplaatsingsinterferometrie: Rob Munnig Schmidt, r.h.munnigschmidt@tudelft.nl, telefoon (015) IOP Precisietechnologie 33 IOP Precisietechnologie

18 Op weg naar low cost manufacturing Kunststof MEMS-structuren Het basismateriaal van MEMS is vrijwel altijd silicium, een dure grondstof die kostbare verwerkingsstappen vereist. Het zou veel goedkoper zijn als MEMS-structuren van kunststof worden gemaakt. Onderzoekers van de TU/e bogen zich over de vraag hoe je actieve microstructuren en masse in kunststof kunt aanbrengen en ontwikkelden een demonstrator. Detailopname van de actuator in de bovenste laag. Een belangrijk toepassingsgebied van MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) zijn microfluïdische systemen. Zulke systemen regelen de stroming en reacties van uiterst kleine hoeveelheden vloeistof. Een lab-on-a-chip is daarvan een mooi voorbeeld: een klein maar compleet laboratorium ter grootte van een postzegel, waarmee aan het bed van de patiënt goedkoop en snel bloed- of speekselanalyses kunnen worden uitgevoerd. Momenteel is het Detailopname van de kanaalstructuur met de daarin aangebrachte holte. basismateriaal voornamelijk silicium. Daarin worden de complexe kanaalstructuren aangebracht via tijdrovende fotolithografie- en etstechnieken. Het toevoegen van mechanische elementen zoals kleppen is lastig en duur, zeker voor wegwerpproducten. In dit IOP-project stond dan ook de vraag centraal of dergelijke structuren in kunststof kunnen worden gerealiseerd en welke productietechnologie daarvoor het meest geschikt is. 34 IOP Precisietechnologie 35 IOP Precisietechnologie

19 Promovendus Allwyn Boustheen startte zijn onderzoek in 2007 bij de groep Micro and Nano Scale Engineering van de TU/e. Hij vertelt: Ik ben uitgegaan van een eenvoudig device met een kanaal en één vloeistofklep, het basiselement in ieder microfluïdisch systeem. Na een vooronderzoek naar de eisen en de mogelijkheden van verschillende types actuatoren en hun performance, heb ik een device ontworpen dat is opgebouwd uit drie kunststof lagen. Een soort sandwich dus. De onderste, volledig passieve laag bevat de vloeistofkanalen met op de plaats waar de klep moet komen een ondiepe holte. De bovenste laag bevat op de plaats van afsluiting een kleine hoeveelheid paraffine, die door verhitting via een elektrische weerstand uitzet. De paraffine drukt de tussenliggende, flexibele laag naar beneden waardoor het kanaal afgesloten is. Wanneer de paraffine afkoelt, gaat de klep weer open. Door meerdere kleppen in serie te plaatsen kan vloeistof in het kanaal worden voortgestuwd. In het ontwerp heeft het kanaal een diameter van 50 micrometer (vergelijkbaar met een menselijke haar). De ondiepe holte heeft een doorsnede van 1 mm en een diepte van 50 micrometer. Het voordeel van dit principe is dat je de drie lagen onafhankelijk van elkaar kunt produceren. Dat geeft vrijheid, legt universitair docent Erik Homburg uit. Wanneer er bijvoorbeeld andere eisen worden gesteld aan de snelheid van de actuator, hoef je alleen het ontwerp van de bovenste laag aan te passen. Maar je kunt ook het ontwerp van de kanaalstructuur in de onderste laag aanpassen zonder iets aan de toplaag te doen. Om het principe te kunnen testen op performance en om eerdere simulaties te valideren, ontwikkelde Allwyn Boustheen een demonstrator. Daarvoor maakte hij een ontwerp van de thermische actuator en onderzocht hij ook hoe de microstructuur, en dan met name de holte, met laser-ablatie in de onderste laag kan worden aangebracht. Dat bleekt behoorlijk complex, omdat laser-ablatie op deze schaal een nogal ruw proces is, vertelt hij. In 2011 hoopt Allwyn Boustheen te promoveren op zijn onderzoek. Voor die tijd zal hij zijn bevindingen op het gebied van laser-ablatie publiceren, meer testen uitvoeren en ontwerprichtlijnen opstellen voor verschillende geometrieën. Het is interessant om zo n project te volgen en de mogelijkheden en beperkingen van kunststof MEMS te zien Om kunststof MEMS-structuren goedkoop in grote hoeveelheden te kunnen produceren, was in eerste instantie gedacht aan spuitgieten. Door de keuze voor drie losse lagen die separaat bewerkt worden, lijkt het handiger gebruik te maken van embossing of roll-to-roll-fabricage (R2R). Die technologie is bij het Holst Centre ontwikkeld voor de fabricage van flexibele OLED s. Daarmee kunnen grote oppervlakken in een continu proces goedkoop van structuren worden voorzien. Een uitdaging van de drielagenstructuur is nog de assemblage van de drie dunne lagen. Aan dit deel van het onderzoek hoopt MA3 Solutions een bijdrage te leveren om te komen tot een meer industrieel proces. Dit bedrijf, een spin-out van TNO Industrie & Techniek en nu onderdeel van TEGEMA Group, is gespecialiseerd in de assemblage, packaging en afwerking van microsystemen. Edwin Smulders, MA3 Solutions: Microassemblage is een heel specifiek vakgebied. Door de gebruikte materialen en de kleine afmetingen is de keuze van verbindingsmethoden beperkt. Lijmen is een veelgebruikte manier maar je moet natuurlijk wel oppassen dat de kanaaltjes niet vollopen. We hopen samen met de TU/e een passende fabricagemethodiek te ontwikkelen en eventuele bottlenecks op weg naar massaproductie op te lossen. Volgens Andreas Dietzel, hoogleraar TU/e en programmamanager Integration Technologies bij het Holst Centre, is de gekozen en uitgewerkte oplossing goedkoop en modulair te fabriceren en uitermate geschikt voor gebruik in disposables in bijvoorbeeld ziekenhuizen. Dit project past uitstekend binnen het onderzoek aan de TU/e naar microfluïdische systemen, licht hij toe. Ook is het in lijn met onderzoek in het Holst Centre naar flexibele OLED-technologie. Het project van Allwyn Boustheen is een mooie stap op weg naar low cost manufacturing van kunststof MEMS devices. Voor medische toepassingen, zoals het verplaatsen en/of doseren van kleine hoeveelheden vloeistof voor bloed- of speekselanalyse is de drielagenstructuur een simpele en doeltreffende oplossing, vindt ook Lex Westland van Océ Technologies, tevens voorzitter van de begeleidingscommissie. De ontwikkelde drielagenstructuur. Actuator layer Membrane layer Passive layer De keuze voor het gebruik van folie als basismateriaal zal zeker tot grote kostenbesparingen ten opzichte van silicium leiden. Interessant is ook de thermische actuator, dat had ik nog niet eerder gezien. In onze printheads maken we gebruik van piëzoactuatoren, waarvan de werking en aansturing aanzienlijk complexer is. Ik ben benieuwd naar de resultaten van verder onderzoek. Je kunt bijvoorbeeld paraffine wel snel opwarmen, maar hoe gaat het met afkoelen? Zou je de klep voldoende snel kunnen openen en sluiten? Omdat die snelheid bij inkjettoepassingen extreem belangrijk is, verwacht ik niet dat inkjet een van de eerste toepassingen is. 36 IOP Precisietechnologie 37 IOP Precisietechnologie

20 Ondanks dat vinden we het interessant om zo n project te volgen en de mogelijkheden en beperkingen van kunststof MEMS te zien. Vincent Spiering is namens C2V lid van de begeleidingscommissie. Dit bedrijf, nu onderdeel van Thermo Fischer Scientific, ontwikkelt microtechnologie voor derden en bracht recent een eigen micro-gaschromatograaf op de markt. Hij zegt: We zijn bij dit onderzoek betrokken vanwege zowel ons ontwikkelwerk voor klanten als ons eigen product. Onze interesse gaat uit naar alternatieven voor silicium gas- of vloeistofkleppen. Die voldoen niet altijd aan de eisen: om bijvoorbeeld de gastoevoer nauwkeurig te sturen of de gasdruk te regelen, wil je een klep proportioneel kunnen aansturen. Dat is lastig in een MEMS-structuur, omdat je niet precies kunt bepalen hoever de klep open of dicht gaat. Vandaar dat kleppen waaraan zulke eisen worden gesteld buiten de MEMSstructuur worden gehouden. We zijn nieuwsgierig of het principe van de TU/e hiervoor een haalbare oplossing biedt. Omdat gaschromatografie een chemisch proces is dat zich bij hogere temperaturen afspeelt, is het nog wel de vraag dit in kunststof kan. Als dat zo is, zijn de voordelen groot. Project: Kunststof MEMS-structuren Doelstelling: het ontwikkelen van kunststof MEMS-structuren voor gebruik in microfluïdische systemen, inclusief de benodigde productietechnologie Resultaten: ontwerp van een vloeistofklep en actuator in kunststof, demonstrator, publicaties. Publicaties en meer informatie: discipline Microsysteemtechnologie Contactpersoon: Andreas Dietzel, a.h.dietzel@tue.nl, telefoon (040) IOP Precisietechnologie 39 IOP Precisietechnologie