IOP Precisietechnologie Projectresultaten tender 2002

IOP Precisietechnologie Projectresultaten tender 2002

in opdracht van

IOP Precisietechnologie Projectresultaten tender 2002

Voorwoord Geachte collega, Dit is het tweede boekje uit een serie van vier. Het beschrijft kennis, die verzameld is door onderzoekers van Nederlandse universiteiten en kennisinstituten, in de vorm van de samenge­vatte resultaten van acht onderzoeken op dit kennisgebied. Een gebied, dat van steeds groter belang wordt voor de Nederlandse industrie. Het boekje is een wegwijzer naar de resultaten van afgeronde projecten, die zijn gefinancierd door het IOP Precisietechnologie in de periode 2002 – 2007. Elk van de projecten is kort samengevat in 4 of 5 pagina’s met ‘n paar 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 aangeboden wordt. Om u daarbij verder op weg te helpen is er veel zorg besteed aan een lijst van publicaties, waarin meer achtergrondinformatie te vinden is en aan een verzameling adressen waar u met technische of wetenschappelijke vragen terecht kunt. Deze informatie vindt u niet in het boekje, wel op de website www.precisieportaal.nl. Hoewel de onderzoekers in de meeste gevallen zijn uitgevlogen om aan een volgende uitdaging te beginnen, is in de universiteiten en bij instituten als TNO, ECN en NMi in alle gevallen de voedingsbodem achtergebleven waarin het beschreven onderzoek geworteld is. Een speciaal woord van dank is op z’n plaats voor wetenschapsjournalist Daphne Riksen, die 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

4

Inhoud 1 Precisieverspanen van kunststof

Nieuwe inzichten

2 Multi-axis microstage

30

‘Design-for-assembly’ levert veel op

8 Laser die transfer

26

Technisch haalbare oplossingen voor extreme precisie

7 MST-assemblage

22

Zeer tevreden over resultaten

6 Glasvezel-chip koppeling

18

Grote interesse leidt tot spin-off

5 Slijpschijven profileren

14

Shuttle-concept geoctrooieerd

4 Lotus-textuur

10

Knelpunten precisiepositioneren in MEMS in kaart gebracht

3 Snelle assemblage

6

35

Stabiel en betrouwbaar

5

Nieuwe inzichten

1 Precisieverspanen van Bij het verspanen van glasachtige polymeren tot contactlenzen en brillenglazen slijten de relatief dure diamantbeitels snel. Over de achterliggende slijtage-

FOTO: CONTAMAC BV

kunststof

mechanismen en het gedrag van polymeren tijdens het verspanen is weinig bekend. Het IOP-project ‘Precisieverspanen van kunststof’ bracht hierin meer duidelijkheid. Tevens is een lange slag gereedschap­ actuator ontwikkeld om niet-rotatiesymmetrische werkstukken, zoals multifocale lenzen, te kunnen draaien. Dat het onderwerp de industrie interesseert, blijkt uit de

Beitelhouder van Contamac Precision Machinery voor het draaien van multifocale lenzen

brede samenstelling van de begeleidingscommissie. Het

6

grote aantal deelnemers is te verdelen in drie categorieën:

wordt iedere lens gecontroleerd. Bij een nieuwe beitel zijn

leveranciers van diamantbeitels, bedrijven die draaibanken

de lenzen glanzend, maar na verloop van tijd beginnen ze

ontwikkelen voor de optische industrie en leveranciers van

steeds doffer te worden. Om aan de hoge oppervlakte-eisen

contactlenzen en brillenglazen. Een voorbeeld van die laat-

te voldoen, moet de beitel soms meerdere malen per dag

ste categorie is Procornea, dat in Eerbeek sinds 1980 contact-

vervangen worden. Niet alleen de beitel zelf is duur, ook de

lenzen en implantlenzen produceert. Ben Wanders, oprichter

tijd dat de machine stil staat kost geld. Wij zijn dus continu

en directeur, vertelt: “Vormstabiele contactlenzen worden

op zoek naar mogelijkheden om de standtijd te verbeteren

gedraaid met een diamantbeitel. Onder de microscoop

en de snijcondities te optimaliseren.”

Tussen 2002 en 2006 onderzocht Guido Gubbels - nu werkzaam bij TMC en gedetacheerd bij TNO Industrie en Techniek - als promovendus aan de TU/e de slijtagemechanismen aan de beitel en het gedrag van polymeren tijdens het verspanen. “Polymeren vloeien bij een veel lagere temperatuur dan metaal. Het vermoeden bestond dat zij boven hun glastransitie­temperatuur kunnen komen en dan makkelijker te bewerken zijn”, legt hij uit. “Volgens de literatuur wordt

Brosse spaanvorming bij CR39 (links) en ductiele spaanvorming bij polycarbonaat (beide optische materialen voor brillenglazen)

een betere oppervlaktekwaliteit bereikt als de temperatuur in de afschuifzone voor de beitel de glastransitietemperatuur bereikt. Door een thermokoppel in de beitel in te bouwen, hebben we dat voor diverse polymeren onderzocht. Maar in geen enkel geval blijkt de glas­transitietemperatuur gehaald te worden.” Een andere theorie was dat de taaiheid van kunststof, en daarmee de verspaanbaarheid, beïnvloedt wordt door veroudering. Oudere polymeren zou-

“Dit was één van de weinige programma’s waarin gestructureerd de verschijnselen tijdens het draaien van polymeren is onderzocht”

den brosser en lastiger te verspanen zijn, zoals oude brokkelkaas moeilijker te schaven is dan jonge graskaas. Samen met de sectie

zoek blijkt echter,” zegt Guido Gubbels, “dat de ladingsopbouw lang

Polymeer Technologie voerde Guido Gubbels vele verjongings- en

niet altijd genoeg optreedt om ontlading plaats te laten vinden en

verouderingsexperimenten uit, maar ook hier bleek het effect

dat deze sterk afhankelijk is van het te verspanen materiaal. Bij

niet aantoonbaar.

PMMA en polycarbonaat bijvoorbeeld hoef je niet bang te zijn voor deze zogenoemde tribo-elektrische slijtage, bij polysulfon weer wel.

Slijtage aan de beitel wordt vooral veroorzaakt door ladingsopbouw

Verder speelt een rol of de beitel als kathode of als anode fungeert.

en vervolgens elektrische ontlading tijdens het draaien, werd

In het laatste geval treedt tribo-elektrische slijtage vaker op.

algemeen verondersteld. Lokaal optredende bliksemschichten

Luchtvochtigheid van de omgeving blijkt hierbij kritisch: hoe droger

beschadigen inderdaad de snijkant van de beitel. “Uit mijn onder-

de lucht, hoe meer slijtage.” Een ander slijtagemechanisme waar Guido Gubbels onderzoek naar heeft verricht, is tribo-chemisch van aard. Deze processen blijken van veel grotere invloed op beitel­ slijtage. “De in diamant normaal stevig aan elkaar verbonden koolstofatomen gaan aan de rand van de beitel verbindingen aan met andere elementen. Vervolgens laten deze koolstofatomen van het diamant los. Dit kun je optimaliseren door de samenstelling van de kunststof te veranderen. Werken in een omgeving met een lage

Diamantbeitel met tribo-elektrische (links) en tribo-chemische slijtage (rechts)

luchtvochtigheid blijkt ook te helpen. Maar dat is in tegenspraak 7

met de gewenste hoge luchtvochtigheid om tribo-elektrische slijtage

Contamac BV in Beers, fabrikant van precisiemachines (het voorma-

bij bepaalde materiaalsoorten te voorkomen. Ik zou graag nog eens

lige Opteq). Hij vertelt: “Het onderzoek van Guido was een van de

willen experimenteren om daar een optimum in te vinden.”

weinige programma’s dat gestructureerd de verschijnselen tijdens het draaien van polymeren heeft onderzocht. Hij heeft ons vermoeden

Ben Wanders van Procornea heeft Guido’s onderzoek met grote

bevestigd dat het vooral iets chemisch is waardoor de beitel bij het

interesse gevolgd. “Wat er tijdens het verspanen gebeurt, begrijpen

draaien van polymeren veel sneller slijt dan bij metalen.”

we nu veel beter. We weten nu dat de materiaalsamenstelling een belangrijke factor is bij beitelslijtage. Helaas is dat lastig

Parallel aan het promotieonderzoek van Guido Gubbels ontwikkelde

te beïnvloeden, want het risico is groot dat je daarmee ook de

universitair docent Erik Homburg een lange slag gereedschap­

zuurstofdoorlaatbaarheid en andere draageigenschappen van een

actuator voor het draaien van niet-rotatiesymmetrische werkstuk-

contactlens verandert. Jammer dus dat het ons geen grote sprong

ken. Wanneer een brillenglas een leesbrilgedeelte bevat, is die niet

voorwaarts oplevert, maar vanuit wetenschappelijk oogpunt

langer rotatiesymmetrisch en moet de beitel bij iedere rondgang

waren de resultaten zeker interessant”, concludeert hij.

van het werkstuk op de juiste plaats een afwijkende beweging

Hoewel dit deel van het IOP-project dus niet tot concrete oplossingen

maken. “De beitelhouder moet daarom met een grote versnelling

heeft geleid, is ook bij andere deelnemers van de begeleidings­

loodrecht op het lensoppervlak kunnen bewegen, en om vormfouten

commissie het inzicht toegenomen. Henk Kiela is directeur van

in de lens te voorkomen moet de stijfheid van de beitelhouder zo groot mogelijk zijn”, legt hij uit. “Dat levert tegenstrijdige eisen op FOTO: PROCORNEA

Het draaien van een contactlens

8

NMi

voor tuberculose te kunnen concentreren en transporteren. Henk Kiela van Contamac blijft, ook nu het IOP-project formeel is afgesloten, betrokken bij de ontwikkeling van de gereedschap­actuator. “In onze eigen gereedschapactuator hebben we indertijd andere ontwerpkeuzes gemaakt. Het lijkt ons erg leerzaam om te zien wat de sterke punten zijn van Eriks oplossing. Het andere bewegingsconcept, de rekenmethode en de mooi compacte lagering zijn nieuw voor ons. We vonden trouwens alle onderwerpen van dit IOP-project belangrijk en we zijn blij met de resultaten. Het verspanen van polymeren blijft een buitengewoon interessant vakgebied. Hier kunnen wat ons betreft nog wel drie mensen op promoveren!” p r o j e c ti n f o r m ati e P roject: Precisieverspanen van glasachtige polymeren

De gereedschapactuator: as en bus van het hydrostatische lager, met daarvoor de

D oelstelling: Kennis opdoen over het verspaningsproces van poly­

carbon fiber gereedschapsarm

meren en het mechanisme achter het slijtageproces van diamant­

aan de massa van de beitelhouder. Ik heb geprobeerd daarin een balans te vinden.” Aan het ontwerp ligt een elektromotor ten grondslag waarin de magneet beweegt en de spoelen stilstaan, het omgekeerde van wat gebruikelijk is. Doordat stilstaande spoelen beter gekoeld kunnen worden, kan de stroom hoger worden opgevoerd en is de koppel van de motor groter. Om te laagfrequente resonanties van de constructie te voorkomen, is de constructie zo klein mogelijk gemaakt, ter grootte van een sinaasappel. Het ontwerp is klaar, een demonstrator is in de maak. Daarmee zullen nog de nodige experimenten worden uitgevoerd. Erik Homburg ontwikkelde ook een speciale berekeningsmethode om het resulterende elektromagnetische veld te kunnen bepalen en snel alternatieven door te rekenen. Deze is ook elders in gebruik, bijvoorbeeld in het MicroNed-project ‘Sensing and diagnostics on a chip’ waarin magnetische krachten worden gebruikt om indicatoren

beitels. Ontwikkelen van een lange slag gereedschapactuator voor het draaien van niet-rotatiesymmetrische werkstukken R esultaten: Inzicht in de invloed van factoren als glastransitie­ temperatuur en veroudering van polymeren. Kennis over het belang en de werking van twee slijtagemechanismen waarvan de beitel tijdens het diamantdraaien van kunststoffen te lijden heeft: triboelektrische en tribo-chemische slijtage. Ontwerp van een lange slag roterende gereedschapactuator (demonstrator volgt). Breed toepas­b are berekeningsmethode voor elektromagnetische velden. Proefschrift, 2 wetenschappelijke publicaties, lezingen tijdens internationale conferenties P ublicaties en meer informatie: www.precisieportaal.nl, disciplines Bewerken, Materialen, Precisietechnologie Contactpersoon: Erik Homburg, [email protected], telefoon (040) 247 28 87 9

Knelpunten precisiepositioneren in MEMS in kaart gebracht

2 Multi-axis microstage De industrie heeft grote behoefte aan het kunnen manipuleren van samples in het sub-micronbereik. Momenteel is dat alleen mogelijk met ‘macro’-hulpmiddelen. In dit IOP-project onderzocht de Universiteit Twente de mogelijkheden van MEMS-procestechnologie om een micromanipulator met zes graden van vrijheid te realiseren. Een vervolgproject is inmiddels van start gegaan.

Nauwkeurig kunnen manipuleren van kleine objecten in het sub-micronbereik is van groot belang voor toepassingen als dataopslag, microassemblage en elektronenmicroscopie.

De principeoplossing van Boudewijn de Jong: gestapelde manipulatoren op basis van combdrives (elektrostatische actuatoren)

Het daarvoor benodigde systeem - bestaande uit sensoren,

10

actuatoren, mechanische onderdelen en regeltechniek -

wafer van zeer zuiver monokristallijn silicium als basismateriaal,

wordt echter steeds groter. Elektrotechnicus Boudewijn de

en bewerkingen als lithografie, depositie en etsen. Als toe-

Jong en werktuigbouwkundige Dannis Brouwer bogen zich

passing is gekozen voor het mechanisme (‘stage’) dat een

in dit IOP-project over de vraag of je zo’n precisiemanipula-

preparaat in een transmissie elektronenmicroscoop nauw-

tor met behulp van Micro Electro Mechanical Systems

keurig manipuleert.

(MEMS) technologie kunt miniaturiseren. Daarbij worden

“Het project kende twee doelen”, vertelt Boudewijn de Jong,

dezelfde technieken gebruikt als in de chipsindustrie: een

die eind 2006 op het onderzoek promoveerde. “We wilden

een manipulator ontwerpen en maken die het preparaat met zes

Er zijn grote verschillen tussen het ontwerpen voor ‘gewone’

graden van vrijheid kan bewegen, en we wilden daarvan principe-

mechatronische systemen en het ontwikkelen van bewegende

oplossingen afleiden voor het ontwerpen van positioneringsys­

structuren in MEMS. Boudewijn de Jong: “Om te beginnen zijn

temen in MEMS.” Want hoewel al sinds de jaren tachtig van de

driedimensionale structuren enorm moeilijk te realiseren door de

vorige eeuw mechanische apparaatjes zijn ontwikkeld met MEMS-

beperkingen in de fabricageprocessen voor MEMS. Dat geldt in het

technologie, was er bij aanvang van het onderzoek nog weinig

bijzonder voor de vormgeving van structuren loodrecht op het

bekend over ontwerpen gericht op nauwkeurig positioneren met een MEMS-device. “Er was wel gepubliceerd over mechanismes in MEMS, maar er werd weinig aandacht besteed aan positiestabiliteit

oppervlak van de wafer.

Er zijn grote verschillen tussen het ontwerpen voor ‘gewone’ mechatronische systemen en het ontwikkelen van bewegende structuren in MEMS

Met name de stijfheid die je in die richting kunt bereiken is beperkt.” Een andere factor die het ontwerpen voor MEMS ingewikkeld maakt, is dat je

en -nauw­keurigheid en hoe deze eigenschappen gewaarborgd

bestaande (ontwerp)principes niet simpelweg kunt toepassen zoals

worden in het ontwerp. De onder­zoekers deden weinig gerichte

in een ‘conventioneel’ ontwerp. “Typisch zijn de actuatorkrachten

pogingen de eigenschappen te verbeteren of hun vinding geschikt

in MEMS, die klein zijn ten opzichte van de stijfheid van het te

te maken voor een precisie­toepassing. Het was onontgonnen

verplaatsen mechanisme. Door de ontwerpbeperkingen en beperk-

terrein en dus pionierswerk.”

te actuatorkracht kun je niet altijd statisch bepaald construeren.

Eerste versie (links) en laatste versie (rechts) van het klemmechanisme van Dannis Brouwer, uitgevoerd in MEMS

11

Vaak is het nodig een compromisoplossing te kiezen. Ook moet je

“Ook de fabricage daarvan is uiteindelijk gelukt, maar het proces

rekening houden met de fabricagecomplexiteit.” Het fabricage­

was nieuw en nog niet robuust genoeg om er metingen aan te

proces bestaat uit een groot aantal stappen in een cleanroom.

verrichten en ontwerpvarianten met elkaar te kunnen vergelijken.”

Doordat alle functies in één systeem geïntegreerd worden, kan een fout in één stap grote invloed hebben op de eerder uitgevoerde

Dannis Brouwer gebruikte voor de beweging van de microstage het

stappen. Ook het testen van losse onderdelen is erg lastig.

principe van een zespoot of hexapod. “Bij een hexapod resulteert de lineaire verplaatsing van ieder van de zes poten in het vlak in een

Om beweging met zes graden van vrijheid te realiseren, hebben

beweging van de stage met zes graden van vrijheid”, vertelt hij.

beide promovendi samen een aantal oplossingsrichtingen ontwik-

“Voor de lineaire verplaatsing gebruikte ik, net als Boudewijn,

keld en daarna ieder apart een oplossing uitgewerkt. Boudewijn de

elektrostatische combdrives. Om te zorgen dat de stage in een

Jong baseerde zijn oplossing op het stapelen van twee parallelle

bepaalde positie stabiel gefixeerd blijft, heb ik een klemmechanisme

manipulatoren, ieder verantwoordelijk voor drie vrijheidsgraden.

bedacht.” De uitvoering van het geheel in MEMS bleek echter meer

Het is hem gelukt de manipulator voor de drie vrijheidsgraden in

dan 100 processtappen in de cleanroom te kosten. “Zelfs al zou

het vlak, aangestuurd door elektrostatische combdrives, met succes

je aan één stuk door een cleanroom tot je beschikking hebben,

te fabriceren. Voor de aandrijving van de beweging uit het vlak

dan zou de doorlooptijd van het hele proces zo’n drie weken

ontwierp hij verticale combdrives met een torsieophanging.

bedragen. In de praktijk was het eerder drie maanden, wat inhield

De principeoplossing van Dannis Brouwer op basis van een zespoot. De afmetingen bedragen 6,2 x 6,2 x 0,5 mm. In het midden, boven het vlak, bevindt zich de stage.

12

passing waar we de sterktes van dit onderzoek kunnen gebruiken.” Die toepassing is gevonden in het nauwkeurig positioneren van een diafragma in een transmissie elektronenmicroscoop. Twan van den Oetelaar: “Je kunt de resolutie van zo’n microscoop verbeteren door in de elektronenbundel een ringetje aan te brengen, dat de bundel beïnvloedt. Een beweging met twee graden van vrijheid en een positioneerresolutie van enkele nanometers is voldoende om dat ringetje te plaatsen. We zijn benieuwd hoe je dit met MEMS kunt realiseren.” Het vervolgproject is een samenwerkingsverband van FEI, de Universiteit Twente en mechatronica specialist DEMCON. De totale omvang van het door Point-One gesubsidieerde onderzoek bedraagt 1,5 miljoen euro. Dannis Brouwer heeft sinds zijn Detail van de verticale combdrive van Boudewijn de Jong

promotie een deeltijd aanstelling als Universitair Docent bij de Universiteit Twente en een deeltijd aanstelling bij DEMCON.

dat ik maar twee keer het fabricageproces heb kunnen doorlopen.

Hij werkt via beide werkgevers aan het project.

Het klemmechanisme bleek goed te werken, maar een complete hexapod was een brug te ver.” Beide promovendi hebben naar aanleiding van hun onderzoek een groot aantal ontwerpprincipes voor nauwkeurige mechanismen in MEMS gedocumenteerd. Hoewel de manipulator breed toepasbaar is, was in dit project gekozen voor een microstage in een transmissie elektronen­micro­ scoop. Twan van den Oetelaar, senior vakspecialist mechanica bij FEI Electron Optics, leverde de specificaties en was nauw bij het project betrokken. “We willen een kleinere stage zodat we hem dichter op de hartlijn van de microscoop kunnen bevestigen waardoor hij minder gevoelig is voor trillingen en temperatuur­wisselingen”, vertelt hij. “Onze conclusie naar aanleiding van dit onderzoek is dat het voor­ lopig nog te moeilijk is een stage in MEMS-technologie te maken die met zes graden van vrijheid kan bewegen. Dat wil niet zeggen dat we niets met de resultaten doen. Nu de knelpunten in kaart zijn gebracht, hebben we samen met de Universiteit Twente gezocht naar een toe-

p r o j e c ti n f o r m ati e P roject: Multi-axis microstage D oelstelling: Het ontwikkelen van een microstage met zes graden van vrijheid en het genereren van principeoplossingen voor deelfuncties R esultaten: Een groot aantal ontwerpprincipes voor nauwkeurige mechanismen in MEMS-technologie, MEMS-technologieën voor robuuste elastische mechanismen en een verbeterd ontwerp van MEMS-actuatoren P ublicaties: twee proefschriften, een octrooi en tientallen artikelen en presentaties P ublicaties en meer informatie: www.precisieportaal.nl, disciplines Bewerken, Microsysteemtechnologie, Precisietechnologie C ontactpersoon: Job van Amerongen, [email protected], telefoon (053) 489 27 91 13

Shuttle-concept geoctrooieerd

3 Snelle assemblage Robots die elektronische componenten op PCB’s plaatsen, halen een output van 3.000 tot 6.000 componenten per uur. Onderzoekers van Fontys Hogescholen en Hogeschool Utrecht ontwikkelden een geheel nieuw concept, dat de output met een factor drie verbetert. Een klein bakje gevuld met componenten, de shuttle, volgt daarbij de plaatsingskop zodat deze over relatief veel kleinere afstanden beweegt. Een record­ aantal bedrijven was bij dit IOP-project betrokken en tientallen hbo-studenten werkten eraan mee.

tijd in. Door de plaatsingskop te laten volgen door een shuttle, gevuld met een batch componenten, wordt de cyclustijd sterk teruggebracht. De plaatsingskop kan dan kleinere bewegingen maken tussen shuttle en board. Het inmiddels geoctrooieerde shuttle-concept is uitgewerkt in een project van Fontys Hogescholen en Hogeschool Utrecht, in samenwerking met de TU Delft. Ook nieuw is het meetsysteem, dat de positie van de te plaatsen component en de PCB bepaalt. Bij huidige plaatsingsapparatuur gebruikt men hiervoor twee aparte vision systemen. Het nieuwe concept gebruikt slechts één camera en een set van bewegende spiegels om component en board te positioneren. Door het gebruik van één camera en de realisatie van een nieuwe lichte PhiZ-module is de massa van de plaatsings­ robot drastisch verlaagd, wat hogere versnellingen en

Printed circuit boards (PCB’s) worden gebruikt in tal van

snelheden mogelijk maakt. Met behulp van prototypes is

elektronische producten. Om ze te produceren, pakt een

de werking aangetoond; berekeningen wijzen uit dat een

plaatsingskop een component van een tape en verplaatst

snelheids­verbetering met een factor 3 (18.000 componenten

deze naar de juiste plaats op het board. Daar wordt de

per uur per kop) haalbaar is.

component nauwkeurig gepositioneerd. De cyclustijd van

14

zo’n plaatsingsrobot is voornamelijk afhankelijk van de lengte

Een groot aantal hardware- en softwareonderdelen is ont-

van de af te leggen weg: alle verplaatsingshandelingen

worpen en gerealiseerd, waarbij Fontys Hogescholen zich

samen nemen meer dan 70 procent van de totaal benodigde

vooral richtte op de elektrotechniek en de meetsystemen.

Hogeschool Utrecht concentreerde zich op het ontwerp van de plaatsingsrobot, de shuttle, het frame en de benodigde regeltechniek. In de periode 2003 tot 2007 studeerden 24 hbo-studenten van beide hogescholen af op delen van dit IOP-project. Daardoor zijn als begeleiders ook veel docenten bij het onderzoek betrokken geraakt, die de opgedane kennis in het onderwijs gebruiken. Ook op andere fronten bleek het project een groot succes. Zo was er vanaf het begin grote belangstelling vanuit het bedrijfsleven. Sjef van Gastel, manager Advanced Development bij Assembléon, vertelt daarover: “In openbaar toegankelijke onderzoeksprojecten als deze is assemblage vrijwel nooit onderwerp van onderzoek, alleen de TU Delft houdt zich daarmee bezig. Waarschijnlijk wordt het niet sexy gevonden, hoewel het belang van assemblage voor Nederland erg groot is.” Hij legt uit dat er veel concurrentie op de markt van pick & place machines bestaat en dat de ‘cost of placement’ voor een groot deel de keus van de klant bepaalt. “Simpel gezegd kun je als leverancier de ‘cost of placement’ verbeteren door aan twee knoppen te draaien: de investeringskosten van de machine en de output ervan. Nu de haalbaarheid van het shuttle-concept is aangetoond, kun je aan de outputkant een flinke stap voorwaarts maken.” Toch zal Assembléon er niet mee verder gaan: “Het beladen van de shuttle - dat buiten het bestek van dit project lag - zien we als een te groot obstakel. Ik zie wel mogelijkheden in andere toepassingen, zoals de assemblage van lenzenstelsels of het vullen van pillenstrips in de farmaceutische industrie.” Bernhard Bakker is Business Unit Manager bij MECAL, en verantwoordelijk voor de ontwikkeling van (sub)systemen voor snelle en nauwkeurige machines. Hij is lid geworden van de begeleidings­ commissie van dit project om op de hoogte te blijven van de

De nieuwe plaatsingskop voor versnellingen tot 5g resulterend in een output van

allernieuwste ontwikkelingen en vanwege de contacten met

18.000 componenten per uur

15

collegae uit de industrie. “Wat ik erg leuk vond was de aanpak om

waardevolle idee hebben we rechtstreeks aan dit project te danken.”

eerst eens grondig te onderzoeken hoe de cyclustijd is opgebouwd en

Bij Fontys Hogescholen leidde het onderzoek tot meerdere spin-off

waar de meeste winst te behalen valt. Voor ons waren daarnaast twee

projecten. Promovendi Paul Verstegen en Paul Goede, nu allebei

resultaten van dit project erg interessant: het shuttle-concept zelf en

werkzaam bij Fontys Hogescholen, vertellen: “Het is leuk om te

de camerabelichting die in het nieuwe meetsysteem wordt toegepast.

zien dat zo’n traject tot nieuwe vragen leidt waar weer tientallen

Dat laatste bleek voor ons een interessante optie in het ontwerp van

bedrijven, voornamelijk uit het MKB, in zijn geïnteresseerd. Er is in

een nieuwe PhiZ-manipulator voor de semiconductorindustrie. Dat

Eindhoven op de hogeschool een soort showroom ontstaan, waarin

Het functioneel model waarmee het concept en de nauwkeurigheid zijn getest

16

wij hun nieuwste producten toepassen. Zij komen daarom hier

project op het gebied van koolstofvezels in de machinebouw. “Voor het shuttle-concept waren we op zoek naar materiaal waarmee we een lichte plaatsingskop konden maken om de benodigde

FOTO: ASSEMBLÉON

graag over de vloer om te weten wat er speelt.” Zoals een vervolg-

hoge versnellingen te kunnen halen. Zo liepen we tegen composiet aan. Omdat daar veel interesse voor bestaat vanuit de machinebouw hebben we er een nieuw project voor gestart.”

“Er is niets zo leuk als met creatieve, gepassioneerde studenten werken” Bijzonder aan dit IOP-project was ook dat het onderzoek plaatsvond op hogescholen in plaats van op een universiteit. “Promoveren bij een hogeschool komt inderdaad weinig voor,” zegt Paul Verstegen, die zelf een hbo-achtergrond heeft. “Want hbo-studenten zijn over het algemeen wat minder sterk in het bedenken van fundamenteel nieuwe technologie.” Paul Goede, die aan de TU/e afstudeerde, vult aan: “Maar hbo-ers zijn wél heel goed in het oplossen van concrete technische vragen. Daarom vertaalden wij onze out-of-the-box deeloplossingen voor het shuttle-concept in concrete opdrachten voor studenten. Dat werkte prima.” Naar aanleiding van het project experimenteert Fontys Hogescholen nu ook met traineeships, waarbij net afgestudeerde hbo-studenten in twee jaar tijd onderzoek verrichten dat door bedrijven gedragen wordt. “Een soort ‘light’ promotie”, legt Paul Verstegen uit. Allebei hebben ze genoten van hun samenwerking. “Wij zijn heel verschillend en vullen elkaar prima aan. Zo hebben we ook nog eens veel van elkaar geleerd. Als promovendus ben je zowel student, projectleider als techneut. En er is niets zo leuk als met creatieve, gepassioneerde studenten werken.”

De plaatsingskop van een pick & placemachine

p r o j e c ti n f o r m ati e P roject: Snelle assemblage D oelstelling: Nieuwe concepten ontwikkelen voor plaatsingsrobots voor surface mount technology, die hun output met een factor 2 tot 5 verhogen R esultaten: Twee prototypes, snelheidsverbetering met een factor 3, octrooi op shuttle-concept. Diverse artikelen, 24 hbo afstudeertrajecten, meerdere spin-off projecten bij Fontys Hogescholen P ublicaties en meer informatie: www.precisieportaal.nl, discipline Microsysteemtechnologie Contactpersoon: Paul Verstegen, [email protected] 17

Grote interesse leidt tot spin-off

4 Lotus-textuur Huishoudelijke en persoonlijke verzorgingsapparaten en medische instrumenten zijn veel makkelijker schoon te

spuitgegoten kunststof. Daarbij is gebruik gemaakt van femtoseconde gepulste laserstralen om de microstructuur in de metalen spuitgietmatrijs aan te brengen.

maken wanneer hun oppervlak dezelfde waterafstotende eigenschappen bezit als het blad van de Lotusplant. Uit dit IOP-project blijkt dat de benodigde oppervlaktestructuur in een metaaloppervlak kan worden aangebracht met behulp van ultrakort gepulste laserstralen. Via spuitgieten kan de structuur vervolgens worden gerepliceerd in kunststof. Het onderzoek bracht bovendien een interessante spin-off voort: Lightmotif.

Conventionele laserapparatuur genereert bij het bewerken van metaal een grote hoeveelheid warmte. Door warmte­ diffusie smelt het materiaal lokaal en ontstaat er krater­ vorming. Maar wanneer extreem korte lichtpulsen door een lens op het te bewerken oppervlak worden gefocusseerd, verdampt het materiaal alleen op die plaats en treedt er in de naaste omgeving geen onacceptabele vervorming op. Heel vroeg in het onderzoek was er al sprake van een doorbraak, vertelt Max Groenendijk, die zijn promotieonderzoek uitvoerde aan de Universiteit Twente. “Tijdens de eerste experimenten met een femtoseconde gepulste laser heb ik bij verschillende energiedichtheden in metaal gaatjes

De bladeren van de Lotusplant zijn extreem waterafstotend.

aangebracht. Toen ik die met behulp van een elektronen­

Tijdens iedere regenbui parelen de regendruppels van het

microscoop bekeek, was het een complete verrassing dat

blad, daarbij het vuil meenemend. Het Lotusblad spoelt

er op de bodem van al die gaatjes spontaan ribbels van

helemaal schoon, doordat het een oppervlaktestructuur op

500 nanometer waren ontstaan.”

microschaal bezit en voorzien is van een waterafstotende

18

waslaag. Dergelijke superhydrofobe oppervlakken worden

Samen met de afdeling Membraantechnologie van de

niet aangetast door bacteriën of schimmels. Het doel van het

Universiteit Twente bracht Max Groenendijk de ontstane

IOP-project ‘Lotus-textuur’ was om dit effect na te bootsen in

structuur over op kunststof, waarna hij het Lotuseffect ervan

testte. “Aan de hand van camerabeelden van waterdruppels die

500 nanometer combineert met een iets grovere ‘eierdoos’-

je met een dunne naald op het oppervlak aanbrengt, kun je de

structuur”, vertelt hij. R&D-engineer Viktoria Bana van Philips

contacthoek tussen druppel en oppervlak bepalen. Dat is een

Consumer Lifestyle is enthousiast over de resultaten.

directe maat voor zelfreiniging. Bij een kleine contacthoek ontstaat

“De techno­logie is nu beschikbaar en die zijn we verder aan het

een vloeistoffilm, bij een grote contacthoek is het contactoppervlak

uitwerken. We willen graag een Lotusstructuur aanbrengen op

tussen druppel en kunststof echter heel klein. Dan is het oppervlak

kunststof producten. Daarom hebben we eind 2007 een vervolg­ onderzoek gestart hoe we dit in

waterafstotend”, legt Max Groenendijk uit. “We hebben dit Lotuseffect bij meerdere kunststofsoorten gezien.” Vervolgens maakte Max Groenendijk proefplaatjes van verschillende metaalsoorten, waarmee hij in 2006 spuitgiet­

“Vanaf het begin kwamen er bedrijven met vragen op ons af. Niet alleen was er brede interesse in de Lotustextuur, maar ook in andere bewerkingsmogelijkheden”

de praktijk kunnen toepassen. We kijken bijvoorbeeld naar wat de beste methode is om de structuur in kunststof aan te brengen: spuitgieten, hot embossing of andere technieken.” Ook voor Océ Technologies zijn de succesvolle resultaten van het

proeven uitvoerde bij Philips Consumer Lifestyle in Drachten. Hij experimenteerde er met varia-

IOP-project aanleiding om een vervolgonderzoek te starten. Senior

ties in de instellingen van het spuitgietproces en met verschillende

researchmedewerker Lex Westland: “Nu we weten dat er een methode

geometrieën in het oppervlak. “Het Lotuseffect in de spuitgegoten

is - spuitgieten - om goedkoop zulke structuren in kunststof aan te

replica blijkt het grootst wanneer je de fijne ribbelstructuur van

brengen, willen we daar in onze inkjetproducten graag gebruik van

Links: het oppervlak van Lotusbladeren stoot water op extreme wijze af. Rechts: een kunststof proefplaatje met vergelijkbare afstotende werking

19

Met femtoseconde laserpulsen bewerkt silicium

maken. In eerste instantie ging onze belangstelling uit naar het

inktvoorraad en de nozzle bewerken.” Het project bij Océ moet

bewerken van de silicium nozzleplaat in de printkop om daarmee

duidelijk maken waar de mogelijkheden liggen en of het effect

de bevochtigingseigenschappen te beïnvloeden. Als je het gebied

meerdere jaren standhoudt.

rondom de nozzle afstotend maakt en andere gebieden juist niet, kun je de inkt het vuil laten afvoeren en daarbij de voorkeurs­

Tijdens het IOP-project werd al snel duidelijk dat er voor femto­

richting sturen. Nu aangetoond is dat het Lotuseffect in kunststof

seconde gepulste laserstralen ook andere toepassingsmogelijkheden

kan worden aangebracht, kun je ook andere onderdelen tussen de

zijn. “Vanaf het begin kwamen er bedrijven met vragen op ons af”,

20

vertelt Max Groenendijk. “Niet alleen was er brede interesse in de Lotusstructuur, maar ook in andere bewerkingsmogelijkheden. Het grote voordeel is dat je er contactloos alle materialen mee kunt bewerken, van biologisch weefsel tot hele harde materialen, en dat er geen rafelige randen ontstaan.” Zo kwam er een vraag vanuit een samenwerkingsproject tussen TNO, de TU Delft en de UT of het mogelijk is heel gecontroleerd nozzles aan te brengen in silicium. “Voor hun microsatellieten hebben zij een minimotor nodig, die gas door nozzles blaast. Die gaatjes moeten van twee kanten gecontroleerd taps toelopen en dat is met conventionele cleanroomtechnologie niet eenvoudig. Met laserpulsen is dat wel gelukt.”

p r o j e c ti n f o r m ati e P roject: Lotus-textuur D oelstelling: Een methode ontwikkelen om een zelfreinigende textuur - gebaseerd op de microstructuur van de Lotusplant - aan te brengen in een metaaloppervlak met behulp van ultrakort gepulste laserablatie, en de ontstane structuur vervolgens te repliceren in kunststof R esultaten: Een industrieel toepasbare methode om de water­ afstotende eigenschappen van de Lotusplant in metalen matrijzen te imiteren en op kunststof over te brengen. Een spin-off van dit project is het bedrijf Lightmotif met drie werknemers (2008). Diverse publicaties in wetenschappelijke tijdschriften en presentaties op congressen

Door de belangstelling vanuit het bedrijfsleven ontstond bij Max Groenendijk in 2007 het idee om samen met twee anderen een eigen bedrijf te starten. Sinds begin 2008 richt Lightmotif zich op materiaalbewerking met behulp van ultrakort gepulste lasers.

P ublicaties en meer informatie: www.precisieportaal.nl, discipline Bewerken, Materialen, Optica C ontactpersoon: Bert Huis in ’t Veld, [email protected], telefoon (053) 489 25 27/25 02

Van promoveren is het tot nu toe echter niet gekomen. “Dat proefschrift komt er zeker”, lacht Max Groenendijk. “Maar eerst gaat alle aandacht even uit naar Lightmotif. We willen nu profiteren van de kennisvoorsprong die we hebben.”

Het oppervlak van de stalen matrijs en het spuitgegoten kunststof product

21

Zeer tevreden over resultaten

5 Slijpschijven profileren Slijpen is een veel gebruikte bewerkingsmethode voor producten als matrijsdelen, keramische gereedschappen en complexe, metalen onderdelen. Om extreem harde materialen te kunnen slijpen, worden slijpschijven gebruikt die voorzien zijn van super-abrasieve korrels zoals diamant. Dat maakt het lastig de schijven in de juiste vorm te brengen. De Technische Universiteit Delft en het Energieonderzoek Centrum Nederland hebben hiervoor een oplossing ontwikkeld.

nieuwe schijven te bewerken, maar ook om afgesleten exemplaren opnieuw te profileren. In dit IOP-project is een apparaat ontwikkeld dat, gemonteerd op de slijpmachine, snel en flexibel ook de meest harde schijven kan bewerken. Het gebruikte profileerprincipe is crusheren, waarbij een rond gereedschap, de vormrol, tegen een draaiende slijpschijf wordt gedrukt. Omdat slijpschijf en vormrol met dezelfde snelheid gaan draaien, is de relatieve snelheid tussen beide nul en resteert alleen de normaalkracht. Die zorgt ervoor dat het bindingsmateriaal breekt, zodat de diamantdeeltjes loslaten. Bij dit principe is de slijtage aan het profileergereedschap relatief gering, omdat uitsluitend het bindmiddel wordt bewerkt. Volle vorm crusheren wordt

22

Conventionele manieren om slijpschijven in vorm te

al langer toegepast, met een vormrol die even breed is als de

brengen, zijn afdraaien met een diamantpunt, overslijpen

te bewerken slijpschijf. Door nu een vormrol te gebruiken

met schijven die belegd zijn met diamant of volle vorm

met een uiterst klein contactpunt (0,1 mm) en daarbij de

crusheren. Maar deze methoden zijn ofwel niet geschikt voor

positie en snedediepte nauwkeurig aan te sturen, ontstaat

gebruik bij diamantschijven ofwel ze leiden tot grote slijtage

een grote vrijheid in het aan te brengen profiel. Het idee

aan het gereedschap. Door de hoge kosten kunnen ze alleen

voor deze techniek en het initiatief voor het project is afkom-

voor massaproductie van slijpschijven economisch worden

stig van Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN). Bas

toegepast, terwijl de industrie juist behoefte heeft aan flexi-

Wardenaar werkt bij de afdeling Engineering & Services, die

biliteit. Men wil zelf slijpschijven met grote nauwkeurigheid

voor opdrachtgevers binnen en buiten ECN installaties

in de gewenste vorm kunnen brengen, niet alleen om

bouwt en onderhoudt en zeer ervaren is op het gebied van

Schets van het profileergereedschap dat de diamantschijf in vorm brengt (links). Rechts de geprofileerde slijpschijf in actie

het bewerken van geavanceerde materialen in kleine series. Hij

netjes rondloopt”, vertelt hij. “Daarnaast zorgt een speciale aan­

vertelt: “Het bewerken van keramiek heeft altijd al onze aandacht

drijving met regelsysteem ervoor dat de omtreksnelheden van

gehad. Maar het profileren van diamantschijven is tot nu toe duur,

de vormrol en de slijpschijf optimaal gesynchroniseerd zijn.

moeilijk en je moet de schijf van de machine halen. Bovendien

We hebben het systeem beproefd en aangetoond dat het technisch

willen we meer flexibiliteit in de aan te brengen vormen.”

haalbaar is om diamantschijven op de slijpmachine in vorm te

“Door een goede combinatie van verschillende technieken is er een totaalpakket ontstaan, dat voldoet aan de door ons van tevoren gestelde eisen” Promovendus Jeroen Derkx van de Technische Universiteit Delft

brengen met een contournauwkeurigheid van 2 tot 3 micrometer.”

heeft het onderzoek uitgevoerd. Hij ontwikkelde een flexibel

Met behulp van het apparaat kan ook de vormrol zelf worden

profileersysteem, voorzien van een speciaal ontworpen hydro­

nageslepen wanneer die versleten is. “Enerzijds kun je dus de

statische lagering. “Die onderdrukt de trillingen die ontstaan bij

slijpschijf bewerken met de vormrol, maar je kunt ook de vormrol

het kapot breken van het bindingsmateriaal en zorgt dat de vormrol

weer in model brengen met de slijpschijf”, legt Jeroen Derkx uit. 23

onze klanten, maar dit soort producten met kleine groefjes komt vaker voor.” Met het apparaat van Jeroen Derkx is het gewenste profiel uiterst nauwkeurig in de slijpschijf en met behulp daarvan succesvol in de matrijs aangebracht. “We zijn zeer tevreden over het resultaat van dit project. Door een goede combinatie van verschillende technieken is er een totaalpakket ontstaan, dat voldoet aan de door ons van tevoren gestelde eisen. We gaan nu duurtesten uitvoeren om het gedrag van slijpschijf en vormrol over langere termijn te onderzoeken. Om het apparaat daarna produceerbaar en marktrijp te maken, moet er nog wel het een en ander gebeuren. Een eerste serie van enkele stuks willen we zelf maken, daarna gaan we op zoek naar een bedrijf dat het op de markt wil brengen.” De resultaten van het IOP-project zijn voor twee typen bedrijven interessant: fabrikanten van slijpmachines en -schijven, en gereedschapmakerijen. Voor die laatste categorie is slijpen een veel Profiel voor het aanbrengen van lijnvormige lensjes (boven: profiel van de slijpschijf;

gebruikte bewerkingsmethode voor bijvoorbeeld matrijsdelen,

onder: het resultaat in het oppervlak van de spuitgietmatrijs)

keramische gereedschappen en complexe, metalen onderdelen zoals tandwielen. Zij zien de voordelen van de nieuwe profileer­

“Het voordeel daarvan is dat de vormrol niet terug hoeft naar de leverancier.” Om de benodigde extra beweging te kunnen maken de vormrol moet worden gekanteld - is er een zwenk-as ingebouwd. Om de nauwkeurigheid van het apparaat te testen is er een slijpschijf mee bewerkt die vervolgens uiterst fijne groefjes aanbrengt in een spuitgietmatrijs. “Daarmee kun je een plaatje spuiten voorzien van lijnvormige kunststof lensjes, zoals je die wel ziet op speelgoedkaarten”, vertelt Bas Wardenaar van ECN. “Achter de lensjes bevinden zich meerdere, uit lijnen opgebouwde afbeeldingen. Wanneer je de kaart een beetje kantelt, zie je steeds verschillende plaatjes. Hoe fijner en kleiner je de lensbolletjes kunt maken, des te meer plaatjes je kunt opnemen. Deze vraag was afkomstig van een van 24

Het ontwikkelde apparaat voor het crusheren van diamanten slijpschijven

strategie, waarbij de slijpschijf op de machine zelf kan worden

p r o j e c ti n f o r m ati e

geprofileerd. Maar dat is niet de enige reden dat Gerrie Peters, toolshopmanager bij Manufacturing Support & Innovation van Fico,

P roject: Profileren van super-abrasieve slijpschijven

enthousiast is over de resultaten. “Wij maken gebruik van slijp­

D oelstelling: Het ontwikkelen van een flexibel profileersysteem en

machines om profielen in matrijzen aan te brengen en om snij- en

-strategie voor super-abrasieve slijpschijven (gewenste nauwkeurig-

buigstempels te maken. Het eerste doen we met gewone slijpschijven,

heid 1 micrometer)

het tweede met diamantschijven”, vertelt hij. “Maar het principe is

R esultaten: Een geoptimaliseerd proces voor het vormcrusheren van

hetzelfde en in beide gevallen moet je de slijpschijven regelmatig

diamanten slijpschijven. De ontwikkelde apparatuur is in staat de

opnieuw in vorm brengen. We hebben de kennis en systematiek

vorm aan te brengen met een contournauwkeurigheid van 2-3

uit het project rechtstreeks kunnen toepassen om onze processen

micrometer. Diverse publicaties in wetenschappelijke tijdschriften

te verbeteren. Een voorbeeld: door de uitleg van Jeroen over de

P ublicaties en meer informatie: www.precisieportaal.nl,

effecten van crusheren bij verschillende snelheden, zijn we zelf met

disciplines Bewerken, Materialen, Precisietechnologie

parameters gaan spelen. Hoewel de mensen hier eerst wat sceptisch

C ontactpersoon: Jaco Saurwalt, [email protected],

waren, heb ik ze enthousiast gekregen. Zelf heb ik door de bijeen-

telefoon (0224) 564 696

komsten mijn netwerk vergroot. Je kunt wel zeggen dat we door het project op een ander spoor zijn gezet.”

25

Technisch haalbare oplossingen voor extreme precisie

6 Glasvezel-chip koppeling In de telecommunicatiesector is het gebruik van glasvezel niet meer weg te denken. Maar de prijs

kunnen bewegen tot de beste lichtinkoppeling is gevonden. Op dat moment wordt de glasvezel vastgezet. Men noemt dit actieve uitlijning.

van opto-elektronische devices is hoog, omdat de koppeling tussen glasvezel en de optische uitgangen van de chip relatief veel tijd kost. De Technische Universiteiten van Delft en Eindhoven onderzochten twee verschillende interconnectietechnologieën. Voor beide bestaat belangstelling.

In het IOP-project ‘Vezel-chip koppeling’ zijn voor het uitlijnen en fixeren van de glasvezel ten opzichte van de optische chip twee alternatieven onderzocht. In Eindhoven is gebruik gemaakt van laser-micro-adjustment. Huug de Waardt, universitair hoofddocent op het gebied van elektro-optische communicatie, vertelt: “Het uitlijnen en fixeren gebeurt in twee stappen: eerst verbinden we de vezel en de chip - na grove positionering onder de microscoop - door middel van laserlassen. Door krimp van de las ontstaan echter positie­

De kosten van commercieel verkrijgbare optische compo-

afwijkingen. Die kunnen we in de tweede stap heel nauw-

nenten worden voor een groot deel bepaald door de assem-

keurig corrigeren met behulp van laserpulsen, die lokaal

blagekosten. Vooral het manipuleren van de glasvezel ten

vervorming in de micro-actuatoren veroorzaken. Daardoor

opzichte van de optische uitgang van de chip is tijdintensief.

treedt verplaatsing op in een vooraf bepaalde richting.”

De vezel moet met een uitlijnnauwkeurigheid van 0,1 micro-

De onderzoekers in Eindhoven hebben diverse typen

meter worden gepositioneerd en gefixeerd, zodat er een

actuatoren ontworpen en getest. Experimenten hebben

maximale hoeveelheid door de chip uitgezonden licht in de

uitgewezen dat een mechanische actuator in de vorm van

glasvezel terechtkomt. Omdat er allerlei toleranties zitten op

een paperclip aan de nauwkeurigheidseisen kan voldoen.

de fabricage van de chip en de glasvezel (bestaande uit een

Daarnaast is er veel inzicht opgedaan in het gebruik van

dunne kern waar het licht doorheen reist en een omhulling)

laserkrimp voor vezel-chip koppeling.

is het noodzakelijk de glasvezel tijdens de montage te 26

Positionering van glasvezel door een actuator gebaseerd op siliciumtechnologie ( TU Delft)

In Delft onderzocht promovendus Vincent Henneken de mogelijk-

uitvoerbaar was. Als dat niet werkte, probeerden we een andere

heden van Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) technologie

volgorde. Al met al heeft het maken van de positioneerchip bijna

om een optische glasvezel met grote nauwkeurigheid uit te lijnen

een jaar geduurd.” Net als de op laserkrimp gebaseerde oplossing

en vast te zetten. Daarbij worden met behulp van halfgeleider­

uit Eindhoven voldoet de Delftse oplossing aan de gestelde uitlijn-

technologie verschillende functies in één chip geïntegreerd.

nauwkeurigheid van 0,1 micrometer. Het lijkt daarmee technisch

“Ingebouwde actuatoren zorgen voor de positionering van de glas-

haalbaar om ook MEMS-structuren te gebruiken als concurrerende

vezel ten opzichte van de optische chip”, vertelt hij. “Het bevestigen

techniek voor de huidige assemblagemethode. Voor een aspect van

van de vezel in de uiteindelijke positie gebeurt met een eveneens in

het positioneermechanisme is een octrooiaanvraag ingediend.

silicium vervaardigd klemmechanisme, op basis van wrijving tussen twee tanden.” De twee deelfuncties, positioneren en klemmen, zijn

Een van de leden van de begeleidingscommissie van dit IOP-project

afzonderlijk onderzocht en in silicium gerealiseerd. Dat bleek niet

was Jan Mink, die in eerste instantie betrokken raakte vanwege per-

eenvoudig en erg tijdrovend: “Halfgeleiderfabricage bestaat uit een

soonlijke interesse. Sinds de oprichting in 2004 van 2M Engineering,

groot aantal stappen en combinaties van processen. Samen met

waarvan hij mede-eigenaar is, is zijn belangstelling als CTO ook

procestechnologen van DIMES (Delft Institute of Microsystems and

zakelijk van aard. “Het koppelen van laserlicht is van belang voor

Nanoelectronics) hebben we ingeschat of een bepaalde volgorde

allerlei producten die wij ontwikkelen. Denk aan medische 27

Boven: het klemmechanisme uitgevoerd in silicium. Onder: detailopname van de haak.

diagnostiek, zoals kankerdetectie met behulp van blauw laserlicht. Of een toepassingsgebied als ‘in huis telecommunicatie’, waarbij bijvoorbeeld een DVD-speler met een flatscreen-TV communiceert via glasvezel in plaats van een HDMI-kabel.” Zijn interesse gaat uit naar beide oplossingen die in dit onderzoek zijn uitgewerkt: zowel het MEMS-device als de mechanische uitlijning door middel van laserkrimp. “Nu van allebei de werking is aangetoond, gaan we zowel met de TU Delft als met de TU Eindhoven vervolgonderzoek verrichten. Vooral laser adjustment en -lassen is voor ons een concrete optie, omdat het goedkoper en makkelijker te implementeren is dan MEMS.”

“Door dit onderzoek kunnen we de verschillende opties om glasvezels aan chips te monteren beter beoordelen” Ook lid van de begeleidingscommissie was de Stichting ASTRonomisch Onderzoek in Nederland (ASTRON). Peter Maat is projectleider op het gebied van fotonische technologieontwikkeling. Hij vertelt: “Onze nieuwste telescoop ontvangt signalen uit de ruimte met behulp van een groot aantal kleine antennes, die over een gebied van honderden vierkante kilometers verspreid staan opgesteld. De opgevangen signalen worden in een computer bewerkt tot een beeld van de hemel. Omdat we behoefte hebben aan steeds hogere bandbreedtes zijn we op zoek naar alternatieve technologieën voor signaalverwerking.” Het gebruik van optische chips ligt daarbij voor de hand. Maar er bestaat nog geen goedkope manier om glasvezel aan een chip te monteren, zegt Peter Maat. “Het is veel handwerk. Daar komt nog bij dat wij meerdere vezels 28

aan één chip willen bevestigen.” De resultaten van het IOP-project zijn daarvoor een goed begin. “Deelname aan de begeleidingscommissie heeft ons niet alleen nauwe contacten met onderzoekers in Delft en Eindhoven opgeleverd, maar ook een goede kijk gegeven op de gevolgde aanpak. We kunnen de verschillende opties nu beter beoordelen. Het meest veelbelovend voor ons is MEMS, omdat je daarmee een compactere oplossing kunt realiseren.” De opgedane kennis komt ook goed van pas in MEMPHIS, een door Smart Mix gesubsidieerd onderzoeksprogramma op het gebied van elektronica en fotonica waarin ASTRON en beide universiteiten participeren. p r o j e c ti n f o r m ati e P roject: Vezel-chip koppeling D oelstelling: Koppelen van glasvezel aan een optische chip, gebruik makend van laser micro adjustment (TU/e) respectievelijk actuatoren op basis van MEMS-technologie (TU Delft) R esultaten: In Eindhoven is een werkend prototype opgeleverd (paperclip-principe). In Delft zijn voor de positioneerfunctionaliteit en het klemmechanisme aparte chips opgeleverd. Er is een octrooiaanvraag ingediend en meer dan tien studenten werkten mee aan het onderzoek, waarvan vijf als afstudeerder. Beide oplossingen voldoen aan de gestelde uitlijnnauwkeurigheid van 0,1 micrometer P ublicaties en meer informatie: www.precisieportaal.nl, disciplines Mechanica, Optica C ontactpersoon: Huug de Waardt, [email protected], telefoon (040) 247 40 07/34 51 en Marcel Tichem, [email protected], telefoon (015) 278 16 03

29

‘Design-for-assembly’ levert veel op

7 MST-assemblage De assemblage van hybride microproducten is duur en complex. De uitval is groot, omdat de onderdelen uiterst fragiel zijn. Onderzoekers van de TU/e en TNO Industrie & Techniek toonden aan dat de opbrengst 10 keer zo hoog kan worden, als zo’n microproduct wordt ontworpen met assemblagegemak in gedachten. Dat deden zij aan de hand van een herontwerp van een 3D-meettaster, die TU/e spin-off Xpress Precision Engineering op de markt brengt.

deze in de praktijk te toetsen, ontwikkelde en realiseerde promovendus Edwin Bos, in samenwerking met TNO Industrie & Techniek, een nieuwe versie van een 3D-meettaster. “Met deze meettaster, oorspronkelijk ontworpen door promovendus Wouter Pril, kun je complexe driedimensionale producten uiterst nauwkeurig meten”, vertelt Edwin Bos. “De taster is een soort miniatuur joystick met een kogeltje op het uiteinde, die op een silicium chip is geplaatst. Wanneer de joystick het product aftast vervormt de ophanging. Dat meten we met behulp van piëzo-elektrische rekstrookjes op de chip. Ik heb dit basisidee van Wouter aangepast om de meetnauwkeurigheid te verbeteren en tegelijker-

Hybride microproducten bestaan uit halfgeleiderdevices in

tijd te zorgen dat de taster makkelijker te maken is.” Kritisch

combinatie met mechanische, elektronische en/of optische

voor de nauwkeurigheid bleek onder andere de interactie

componenten. Deze worden, veelal handmatig, met elkaar

van de tastkogel - die een diameter heeft tussen 50 en 500

verbonden door middel van lijmen, solderen of schroeven.

micrometer - met het werkstuk. “Bij zulke kleine afmetingen

Dit assemblageproces is behoorlijk kritisch: wanneer er

krijg je bijvoorbeeld veel meer last van vervuiling, maar ook

aan het eind een onderdeel kapot gaat, moet vrijwel alles

wordt het gedrag beïnvloed door de aantrekkingskracht

worden vervangen. Door het product te ontwerpen met

tussen kogel en werkstuk.”

deze problemen in het achterhoofd, kunnen zowel

30

productie­kosten als uitval sterk worden gereduceerd.

Om de assemblage te verbeteren zijn bijvoorbeeld de rand

Om richtlijnen voor ‘design-for-assembly’ op te stellen en

en het binnendeel van de kleine en fragiele driehoekige chip

krachten heel nauwkeurig kunnen doseren. Vooral het plaatsen

de taster goed wordt ondersteund op een vlakke tafel. Voor het

van de joystick op de chip is erg kritisch. Een vacuümgripper pakt

oppakken en nauwkeurig positioneren van de componenten door

een onderdeel op door een holle naald vacuüm te zuigen en er op

een pick & place robot is een nieuwe vacuümgripper ontwikkeld.

de plaats van bestemming een beetje lucht door te blazen. In mijn

“Zo’n robot is te vergelijken met een vorkheftruck waarmee je een

ontwerp hangt die naald aan een slappe veer in een luchtlager,

ei wilt verplaatsen. Dan moet je erg voorzichtig te werk gaan!”,

zodat deze zonder wrijving kan bewegen en de botskrachten goed

legt Edwin Bos uit. “Om beschadigingen te voorkomen, wil je de

kan opvangen.” FOTO: BART VAN OVERBEEKE

op gelijke hoogte gebracht, zodat deze tijdens het monteren van

Het nieuwe ontwerp van de silicium chip

31

De Gannen-XP meettaster van Xpress Precision Engineering FOTO: BART VAN OVERBEEKE

Door het nieuwe ontwerp van de meettaster zijn de assemblage­ kosten en uitval met een factor 10 gereduceerd. Edwin Bos: “Het aantal componenten is sterk verminderd en door een andere volgorde hoef je niet het hele product weg te gooien als er aan het einde van het proces iets mis gaat.” Uit proeven blijkt verder dat de meetnauwkeurigheid 10 keer beter is dan die van bestaande tasters: 50 nanometer. “Maar minstens zo belangrijk is de herhaalnauw­k­eurigheid”, voegt hij daaraan toe. “De standaardafwijking daarvan, gemeten over 2000 meetpunten in 6 uur, is minder dan 2 nanometer. Je zou dus de baardgroei van een volwassen man, vijf nanometer per seconde, kunnen meten.”

“Tijdens de cursus ‘How to start your own business’ van SenterNovem realiseerde ik me dat ik op organisatorisch en financieel gebied wel wat steun kon gebruiken” Al in een vroeg stadium van zijn promotieonderzoek wist Edwin Bos dat hij met de meettaster commercieel verder wilde. Daarom richtte hij in 2003 een bedrijf op. “Tijdens de cursus ‘How to start your own business’ van SenterNovem realiseerde ik me dat ik op organisatorisch en financieel gebied wel wat steun kon gebruiken. Inmiddels was ik ook in contact gekomen met het TU/e Innovation Lab”, herinnert hij zich. “Via hun ‘meet & match dagen’ kwam ik in contact met technisch bedrijfskundige Ernst Treffers, die nu mede-eigenaar is van Xpress Precision Engineering BV.” Ze dienden hun business plan in bij New Venture, waar ze in 2007 het prijzengeld van 25.000 euro in de wacht sleepten. “Datzelfde weekend bleek ik een grote 32

STW valorisation grant te hebben gewonnen om verder onderzoek

kleinere openingen in producten meten. De producten van Xpress

te kunnen verrichten. Dat kwam uiteraard erg goed van pas!”

worden zowel via producenten van coördinatenmeetmachines (CMM’s) als rechtstreeks aan eindgebruikers verkocht. “Zo’n taster

Inmiddels heeft Xpress twee producten op de markt gebracht: de

bepaalt in hoge mate de meetnauwkeurigheid van een CMM.

Gannen-XP en de Gannen-XM (Gannen is Japans voor het begin van

Door de verdergaande miniaturisatie worden daaraan steeds

een nieuw tijdperk). De nieuwste van de twee meettasters, de

hogere eisen gesteld. Onze 3D-meettasters zijn de meest

Gannen-XM, gebruikt een kogeltje met een diameter van slechts

nauwkeurige driedimensionale meetinstrumenten ter wereld.”

50 micrometer - een halve haardikte. Deze kan daardoor nog

Jos Gunsing, technologiemanager bij NTS Mechatronics, was om

A = Housing

A

B = Vacuum inlet C = Inlet for air bearing D = Porous air bearing E = Pick up needle

B C D E

De gripper waarmee een assemblagerobot de joystick op de chip plaatst

33

meerdere redenen bij het onderzoek betrokken. “Wij ontwerpen

p r o j e c ti n f o r m ati e

en bouwen mechatronische systemen en modules die derden op ­ de markt brengen, zoals pick & place machines voor de halfgeleider-

P roject: MST-assemblage

industrie. Microsysteemtechnologie is voor ons sowieso interessant,

D oelstelling: Herontwerp van een 3D-meettaster gericht op

maar daar komt bij dat NTS een van de aandeelhouders is in MA3

automatische assemblage, resulterend in ontwerprichtlijnen voor

Solutions. Dat is een joint venture van TNO met andere bedrijven op

microsysteemdevices

het gebied van assemblage, manipulatie en verbindingstechnologie

R esultaten: Richtlijnen voor ‘design-for-assembly’ van microsysteem-

voor microsystemen”, legt hij uit. “Voor mij zijn de praktische spel­

devices. Een herontwerp van een 3D-meettaster met een meetnauw-

regels die Edwin heeft opgesteld voor ‘design-for-assembly’ het

keurigheid van 50 nanometer, waarvan de assemblagekosten en de

belangrijkst. Hij heeft allerlei fysische fenomenen, waar je in de

uitval met een factor 10 zijn gereduceerd. Een luchtgelagerde vacuüm-

macrowereld niets mee te maken hebt, heel ver uitgediept en

gripper. Publicaties in wetenschappelijke tijdschriften, een octrooi,

grondig geanalyseerd. Het ging NTS in dit project meer om die

een proefschrift. Spin-off: Xpress Precision Engineering

analyse dan om het doorontwikkelen van de meettaster.”

P ublicaties en meer informatie: www.precisieportaal.nl, discipline Microsysteemtechnologie

Han Haitjema van Mitutoyo Research Center Europe is al sinds het

C ontactpersoon: Andreas Dietzel, [email protected],

afstudeeronderzoek van Wouter Pril bij de 3D-meettaster betrokken.

telefoon (040) 247 52 35

In die tijd werkte hij nog bij het Nederlands Meetinstituut, bij de TU/e begeleidde hij vervolgens Prils promotieonderzoek. “Het interessante aan deze meettaster is dat hij zo compact is, doordat de rekstrookjes geïntegreerd zijn in de silicium chip”, vertelt hij. “Prils ontwerp was tien jaar geleden nog zeer experimenteel, Edwin heeft het bruikbaar gemaakt. Ook over de signaalverwerking is goed nagedacht.” Het principe van de 3D-taster van Edwin Bos is anders dan die van Mitutoyo, legt Han Haitjema uit. “Met de Gannen-tasters kun je continu meten, de vergelijkbare tasters van Mitutoyo meten punt voor punt. Beide hebben hun voordelen. Wanneer dat voor een klant van ons nodig is, zullen we zeker overwegen zijn taster in onze CMM toe te passen. Ik vind het erg leuk dat hij naast zijn promotiewerk zo succesvol is geweest bij de start van zijn bedrijf. Daar heeft hij terecht prijzen voor gekregen.”

34

Stabiel en betrouwbaar

8 Laser die transfer Microcomponenten worden alsmaar kleiner en het verwerken ervan wordt daardoor steeds complexer. Om uiterst kleine en dunne chips - dies - contactloos te kunnen verplaatsen, ontwikkelde de Universiteit Twente samen met Philips Applied Technologies een nieuw proces op basis van laserpulsen. Een onconventionele aanpak met verrassend goede resultaten.

Promovenda Natallia Karlitskaya ontdekte al snel dat losschieten met korte, intense pulsen niet voldoet. De onderkant van de chip raakt namelijk beschadigd omdat het oppervlak van het silicium smelt. De hoge snelheid die de componenten meekrijgen (30 meter per seconde), resulteert bovendien in een onnauwkeurige landing. De onderzoekster moest concluderen dat deze zogenoemde ablatierelease niet geschikt is om ultradunne chips - in de orde van een vierkante millimeter en 150 micron dik - met grote nauw­ keurigheid te verplaatsen. Vervolgens onderzocht Natallia Karlitskaya of thermische

Het idee een laser te gebruiken om halfgeleidercomponen-

release uitkomst biedt. In dat geval worden laserpulsen

ten contactloos te plaatsen door er met een laser ‘op te

gebruikt met een lagere intensiteit en een langere duur.

schieten’, is afkomstig van Philips Applied Technologies.

Zulke pulsen veroorzaken een chemische reactie in de lijm.

Lasertechnoloog Henk Kettelarij vertelt: “De componenten

Door de belletjes die daar ontstaan, verdwijnt de hecht-

worden door de leverancier uit een silicium wafer gesneden

kracht en ‘vallen’ de componenten er af. Slechts een gering

en op tape gelijmd. Wanneer je vervolgens korte, intense

aantal belletjes ontploft, waardoor de componenten een

laserpulsen op die chip richt, veroorzaakt dat lokaal snelle

veel lagere snelheid meekrijgen dan bij ablatierelease

verdamping van de lijm. De ontploffende gasbellen maken

(ongeveer 1 meter per seconde). Natallia Karlitskaya:

niet alleen de chip los, maar geven hem ook een grote

“Dit principe heb ik verder onderzocht en gemodelleerd.

versnelling mee. We wilden dit door ons geoctrooieerde

Daardoor weten we nu welke parameters van invloed zijn

transferprincipe verder onderzoeken en hebben daarom

op de plaatsingsnauwkeurigheid van de chip en de stabiliteit

contact opgenomen met de Universiteit Twente.”

van het proces. Simulaties en experimenten hebben uitge35

Laser beam Laser beam Wafer

Transparent carrier

Transparent carrier

Die

Si Sacrificial layer Adhesive layer

Receiving surface

Si

Principe van laser die transfer

wezen dat groen laserlicht het beste werkt en dat een verwerkings-

Pick & place machines maken momenteel voor de toevoer van

capaciteit van 100 componenten per seconde haalbaar is. Een grote

halfgeleidercomponenten gebruik van zogenoemde ‘tape feeders’.

vooruitgang, want 2 per seconde is momenteel het maximum.”

Een minuscule prikpen in de ‘feeder’ zorgt ervoor dat een compo-

Vervolgens heeft Philips Applied Technologies in het tweede deel

nent loskomt van de tape, waarna hij wordt opgevangen door een

“Experimenten op kleine schaal zijn aardig, maar met een prototype kun je pas echt bewijzen dat iets werkt”

vacuüm nozzle. Deze levert de component bij de plaatsingskop van de pick & place machine af. Wessel Wesseling, projectmanager bij Assembléon, was verrast door de onconventionele manier om chips met laserpulsen te verplaatsen. “Natallia’s modellen en experimenten lieten zien dat je met laserpulsen inderdaad chips kunt losschieten en nauwkeurig kunt laten landen. Maar die conclusie was gebaseerd op proeven met enkele tientallen componenten die handmatig op

van het project, samen met leverancier van pick & place machines

tape waren aangebracht. Wij wilden wel eens zien of dit proces

Assembléon, een prototype gebouwd. “Computermodellen en

reproduceerbaar is wanneer je tienduizenden componenten

experimenten op kleine schaal zijn aardig, maar met een prototype

verwerkt.”

kun je pas echt bewijzen dat iets werkt.” 36

Fiber

Camera for die position observation

Zoom Camera for die alignment with the laser beam Optical head

Wafer X-Y robot Prototype van de ‘feeder’, gebouwd bij Assembléon

37

We zijn dus erg tevreden en gaan nu op zoek naar een partner om het principe door te ontwikkelen.” Natallia Karlitskaya is intussen aan het werk als Imaging System Developer bij ASML. Zij houdt zich nu bezig met de laser zelf, in plaats van de invloed van laserpulsen op materialen. Wat heeft het onderzoek haar gebracht? “Naast heel veel kennis op het gebied van lasers, vooral een nieuwe ‘way of working’. Je leert in een promotieonderzoek een probleem op te splitsen in kleine delen. Daarnaast heb ik veel opgestoken van de cursus 'Presenteren' van SenterNovem, en ben ik nu bedreven in modelleren met behulp van COMSOL. Een ander positief effect was dat ik door dit project heb leren netwerken. Ik heb een groot deel van mijn tijd bij Philips doorgebracht en aan den lijve ondervonden hoe het is om iets Foto afkomstig van het camerasysteem waarmee de landingsnauwkeurigheid van de met laserpulsen weggeschoten componenten is bepaald

voor elkaar te krijgen in een bedrijf. Dankzij het IOP kan ik nu beter met mensen omgaan.”

Om dat te onderzoeken is een ‘feeder’ ontwikkeld die de componenten op basis van thermische release aan een pick & place machine van Assembléon aanbiedt. Met behulp van een camera­ systeem is de landingsnauwkeurigheid van de met laserpulsen weggeschoten componenten bepaald. “Het resultaat was erg stabiel en betrouwbaar. Alle componenten kwamen op de juiste plaats terecht.” Henk Kettelarij van Philips Applied Technology is blij met de resul­ taten van het project: “Dit onderzoek heeft ons idee een grote stap verder gebracht. We hadden als eis gesteld dat het moest werken in combinatie met bestaande tapesoorten. We wilden niet een nieuw soort tape hoeven te ontwikkelen voor dit proces en dat is gelukt. Het besluit om thermische release te gaan onderzoeken toen bleek dat ablatierelease niet werkte, heeft tot een grote technische doorbraak geleid. Dat was een belangrijke stap in het project. 38

p r o j e c ti n f o r m ati e P roject: Laser die transfer D oelstelling: Het ontwikkelen van een proces en een eerste prototype voor het nauwkeurig overzetten en snelle assemblage van uiterst kleine en dunne chips met behulp van laserpulsen R esultaten: Er is een betrouwbaar en stabiel proces ontwikkeld. Testopstelling, prototype, diverse wetenschappelijke publicaties en lezingen P ublicaties en meer informatie: www.precisieportaal.nl, disciplines Microsysteemtechnologie, Optica C ontactpersoon: Bert Huis in ’t Veld, [email protected], telefoon (053) 489 25 27/25 02

SenterNovem, voor innovatie en duurzaamheid Een sterk innovatief bedrijfsleven in een leefbare, duurzame samenleving. SenterNovem stimuleert duurzame economische groei door een brug te slaan

Programmainformatie

tussen markt en overheid, nationaal en internationaal. Bedrijven, (kennis)instellingen en overheden kunnen bij SenterNovem terecht voor advies, kennis en financiële ondersteuning. Wij verbinden partijen die met passie en gedrevenheid

Precisietechnologie is nodig om producten

willen werken aan een duurzame en innovatieve samenleving. SenterNovem is

te maken, die een hoge vorm- of maatnauw­

een agentschap van Economische Zaken en realiseert beleid in opdracht van

keurigheid moeten hebben, of om producten of ­onderdelen snel en zeer precies te positioneren.

de Rijksoverheid op een professionele, effectieve en inspirerende wijze. Meer informatie: www.senternovem.nl, [email protected] of telefoon (030) 239 35 33.

De technologie is van toenemend belang voor ­uiteenlopende producten en apparaten, zoals

Juliana van Stolberglaan 3

microsystemen, gsm-telefoons, wafersteppers,

Postbus 93144

apparaten voor massa-opslag van data, kopieer­

2509 AC Den Haag

apparaten, optische instrumenten, medische

Telefoon (070) 373 53 19

apparaten en instrumenten voor sterrrenkunden

Telefax (070) 373 51 00

en ruimtevaart.

www.senternovem.nl/iopprecisietechnologie [email protected]

Hoewel deze publicatie met de grootst mogelijke zorg is samengesteld, kan SenterNovem geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten. Bij publicaties van SenterNovem die informeren over subsidieregelingen geldt dat de beoordeling van subsidieaanvragen uitsluitend plaatsvindt aan de hand van de officiële publicatie van het besluit in de Staatscourant.

1IOPPREC0801