Dr.ir. Constructeur MBA

Johan van Seggelen (links) en Peter Minten
Foto: Bart van Overbeeke

Meetmachine/Jim Heirbaut

Promovendus Johan van Seggelen ontwierp een meetmachine die in de industrie minuscule producten moet gaan nameten. Samen met de Gemeenschappelijke Technische Dienst (GTD) is hij nu bezig het eerste prototype te vervaardigen en te monteren. Daar heb je het druk genoeg mee, zou je denken, maar Van Seggelen doet er nog een MBA naast. Hij wil zich namelijk ook uitdrukkelijk met het op de markt zetten van ‘zijn’ machine bemoeien.

Naast zijn promotie in de vakgroep Constructies en Mechanismen van de faculteit Werktuigbouwkunde volgt ir. Johan van Seggelen een parttime MBA (Master of Business Administration) aan de Tias Business School, een samenwerkingsverband van de TU/e en de Universiteit van Tilburg. Dat is toch gekkenwerk? “Ja, het is druk”, beaamt hij. “Maar ik wil deze meetmachine ook op de markt helpen zetten. En de basiskennis die ik daarvoor nodig heb, haal ik uit de MBA.”
De machine waarop Van Seggelen doelt, is een coördinatenmeetmachine, die in de industrie gebruikt zal worden om rijen zeer kleine onderdelen na te meten. Omdat deze, vaak elektronische, componenten steeds kleiner worden, is de machine zo ontworpen dat hij een meet-onnauwkeurigheid van 25 nanometer moet gaan leveren. Om snel te kunnen meten, is de machine zeer compact: hij meet slechts 450 bij 450 bij 200 millimeter. Met het ontwerp van dit stuk fijnmechanica is Van Seggelen al in zijn afstudeeropdracht begonnen, in 2001. Toen hij in 2002 afstudeerde, had hij het conceptontwerp klaar. Hij vertelt: “Ik ben niet iemand die na zijn afstudeerproject afscheid neemt van het concept. Ik denk verder, ik wil die machine dan ook echt maken”. Die gelegenheid kreeg hij door verder te werken op een promotieplaats onder begeleiding van dr.ir. Nick Rosielle, destijds in de groep van prof.dr.ir. Piet Schellekens, nu met promotor prof.dr.ir. Maarten Steinbuch. Toen het project in november van dat jaar een subsidie toegewezen kreeg, konden de eerste onderdelen bijna meteen vervaardigd worden. Van Seggelen: “De hele machine wordt gebouwd door Peter Minten van de GTD, één van de vakmannen aldaar die ook inhoudelijk enorm meedenken. Dat heb je nodig, anders kom ik ook nergens met mijn mooie ontwerp”.
Op dit moment staat het eerste prototype van de meetmachine in opbouw bij de GTD. Hoe complex het ontwerp ook is, het meetprincipe is simpel. Een taster zit zodanig in de machine gebouwd dat hij in de drie loodrechte hoofdrichtingen kan bewegen. Voor het bepalen van bijvoorbeeld de breedte van een onderdeeltje beweegt de taster heel langzaam tegen de zijkant. Vervolgens beweegt de taster omhoog en naar de andere zijkant. Ook daar volgt een lichte aanraking waarna de machine de twee gemeten waarden van elkaar aftrekt om de breedte te berekenen. Zo kunnen alle dimensies bepaald worden. De beweging in het xy-vlak is volledig gescheiden van die in de z-richting.
De meetmodule voor de z-richting is gebaseerd op de elastische vervorming van aluminium. Met een dubbelparallellogram van bladveren wordt ervoor gezorgd dat de taster langs een zo recht mogelijke verticale lijn gaat bewegen. De aandrijving van de taster wordt verzorgd door een Lorentz-actuator, wat niets anders is dan een spoel in het veld van een permanente magneet. Die werken samen als een motor, met als bijzonderheid dat er geen contact makende delen in zitten die wrijving zouden kunnen veroorzaken. Wrijving betekent naast plaatsonnauwkeurigheid ook warmteontwikkeling en dat kun je nou net niet hebben in zo’n nauwkeurige machine. Van Seggelen: “Temperatuursverschillen zijn funest, want dan zet het aluminium plaatselijk uit en gaat de nauwkeurigheid van je metingen naar de maan. Daarom zorgen we er ook voor dat de Lorentz-actuator zo weinig mogelijk hoeft te doen en dus zo weinig mogelijk stroom verbruikt. Hiertoe heb ik voor de stijfheidcompensatie een horizontale veer aan het ontwerp toegevoegd. Doordat die ingedrukt is, zorgt die ervoor dat voor elke uitwijking van de taster vijftig keer minder kracht nodig is van de spoel. Daarnaast zou het gedeelte met de taster door de zwaartekracht het systeem uit evenwicht trekken. De spoel kan deze kracht wel compenseren, maar dat kost stroom en levert dus weer ongewenste warmteontwikkeling op. Om dit te voorkomen houdt een verticale veer alles in zijn evenwichtsstand”.
In een meetmachine met de ambitie om tot op 25 nanometer nauwkeurig te kunnen meten, is een goed meetsysteem essentieel. Op de z-module is daarvoor een glazen liniaaltje geplaatst, waarop streepjes staan met 128 nanometer tussenruimte. Als de taster beweegt, verplaatst de liniaal zich onder een optische lezer door, die door slim te interpoleren zijn meetresolutie terugbrengt tot één nanometer. In alle drie de richtingen wordt voor een meting altijd eerst het nulpunt van de schaal opgezocht. Dezelfde linialen zijn te vinden op de xy-module. Verder werkt die volledig anders dan de z-module. Het belangrijkste verschil is de manier van geleiden. Weliswaar worden ook weer Lorentz-actuatoren gebruikt, maar de geleiding wordt hierbij gerealiseerd door het gebruik van luchtlagers. Dit zijn de schijfjes op de foto, die werken door onder de poreuze schijf lucht te laten uitstromen met een mooi vlak drukprofiel. Daardoor zweven x- en y-module op de vlakke ondergrond. Van Seggelen: “Als je verder niets zou doen, zouden de luchtlagers als een soort hovercraft werken: omdat lucht als een veer werkt, zou je slede al stuiterend voortbewegen. Daarom moesten we de luchtlagers voorspannen, wat betekent dat je ze tot op een afstand van vijf micrometer van het oppervlak trekt. Dit doen we door aan de onderzijde een systeem te monteren dat lijkt op de luchtlagers en dat het zaakje op zijn plaats houdt”. Op deze manier komen flinke krachten op de horizontale balken te staan: voldoende om de liniaal een paar micrometer krom te laten staan en de meting zo volledig te verpesten. Daarom heeft Van Seggelen voor deze balken zogenoemde krachtframes toegepast. Dit houdt in dat de balk met de liniaal een extra balk in zich heeft die alle krachten opvangt. Door een slimme constructieve truc blijft de liniaal dus netjes recht. “Iemand die bruggen ontwerpt, zal dit nooit zien, dat is eigenlijk een heel ander vak”, vertelt Van Seggelen. “Wij constructeurs in de fijnmechanica moeten altijd denken dat alles peperkoek is: als ik hieraan trek, wat gaat er dan krom?”

Samenwerking
Behalve met de GTD werkt Van Seggelen in het project samen met het Nederlands Meetinstituut (NMi) en met het bedrijf IBS Precision Engineering. Het NMi heeft hij nodig voor het bepalen van de uiteindelijke onnauwkeurigheid van het meetsysteem, die is opgebouwd uit dertien foutenbronnen. Bij het NMi wordt daarom elke bron afzonderlijk nagemeten. “Als je na het in elkaar zetten van de machine ontdekt dat de meetfout te groot is, kom je er nooit meer achter waar dat aan ligt”, legt Van Seggelen uit. “Het NMi wordt door onze hoge eisen ook gedwongen de grenzen van bestaande meettechnieken te verleggen, of zelfs iets nieuws te verzinnen.” IBS is in het project betrokken voor het schrijven van de besturingssoftware. Daarnaast heeft het bedrijf de kennis en ervaring die nodig is om de machine op de markt te zetten.

MBA
Het komt weinig voor dat een promovendus aan de TU/e tevens een MBA volgt. Van Seggelen: “Ik weet dat het niet vaak voorkomt. Het is ook een kleine twee jaar de knop omzetten, want het vergt veel van je. Als mijn vriendin en ik om zeven uur thuiskomen, is het samen koken en eten, maar daarna moet ik aan de slag. Iedere drie weken moet ik een dik studieboek uithebben en er een scriptie over schrijven. Maar het zit in me: ik wil me ook met de commerciële kant van de machine bemoeien. Mijn ouders zijn ondernemers, dus het komt niet helemaal uit de lucht vallen”. Van Seggelen is nu bezig met een businessplan voor de vercommercialisering van de meetmachine. Dit schrijft hij in het kader van zijn MBA, maar hij is ook van plan een hoofdstuk van zijn proefschrift eraan te wijden. “Dat moet kunnen”, vindt hij. “In het businessplan besteed ik onder andere aandacht aan het zoeken naar de laagst mogelijke productieprijs voor de onderdelen. Dat je altijd de bodemprijs moet zoeken, en ook hoe, zijn dingen die je leert in een MBA.” Toch kun je nooit op voorhand zeggen of een apparaat daadwerkelijk op de markt zal komen. Van Seggelen: “Ik zal er alles aan doen om daarvoor te zorgen, maar ik ben gewoon niet de enige die daarover beslist. Het ligt aan zoveel factoren: hoe draait de economie, het vinden van investeerders, de afzetmogelijkheden, enzovoort. Maar als het onverhoopt niets wordt, ben ik als gepromoveerde techneut met een MBA interessant genoeg voor het bedrijfsleven”./.