Passieve demping wordt standaard gereedschap hightech constructeur

Voor civiele ingenieurs en bouwkundigen behoort passieve demping al jaar en dag tot het standaard gereedschap. Maar mechanici in de hightech liepen er altijd met een grote bocht omheen. Nu ontdekken high-end machinebouwers de techniek steeds meer als een probaat medicijn tegen eigentijdse precisiekwaaltjes.

René Raaijmakers
5 december 2018

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

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

Hans Vermeulen: ‘Niet iedereen is met passieve demping bekend, maar het breidt zich uit.’

‘Dezelfde technieken druppelen nu ook de hightech binnen’, zegt Hans Vermeulen. Hij werkt bij ASML en is een dag in de week hoogleraar aan de TU Eindhoven. Daar verdiept hij zich onder meer in passieve demping. Vermeulen verzorgt volgend jaar samen met Kees Verbaan (NTS) de training ‘Passive damping for high-tech systems’ van Mechatronics Academy, de mechatronicapartner van High Tech Institute. ‘Dempende lagen – zogeheten constrained layers – zitten de laatste jaren verwerkt in hoogprecisiestages en met tuned mass dampers worden op specifieke frequenties storende trillingen onderdrukt om de precisie van het hele systeem te verhogen’, aldus Vermeulen.

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

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

Schaakbord

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

Het blijkt dat passieve demping daar een zeer waardevolle bijdrage kan leveren. De aanpak heeft zich intussen bewezen, ook in de higtech. ‘Het leuke aan demping is dat er een heel nieuwe trukendoos opengaat’, zegt co-docent Kees Verbaan. ‘Precisieconstructeurs krijgen er echt een aantal stukken op hun schaakbord bij’, meent Verbaan, die in 2015 promoveerde op robust mass dampers voor bewegende stages. ‘Ik vind dat leuk, omdat in de traditionele gereedschapskar van een constructeur maar drie gevulde laden zaten. Nu blijken er nog drie laden bij te kunnen en die liggen vol met poelietrekkers en steeksleutels die ze eerst niet hadden.’ Hij onderstreept wel dat het een aanvulling is. ‘Als je het traditionele construeren niet beheerst, dan brengt het je weinig.’

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

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

Aan die aanpak hadden machinebouwers jarenlang voldoende. Maar in hun zoektocht naar uiterste precisie onderzoeken intussen alle high-end systeembouwers de mogelijkheden van passieve demping. Vermeulen: ‘Ik durf best te beweren dat het eigenlijk al standaard is in de machinebouw. Niet iedereen is ermee bekend, maar het breidt zich uit.’ Verbaan: ‘De groten zoals ASML, Philips, TNO en Thermo Fisher hebben de tijd om hun kennis te ontwikkelen en er onderzoek naar te doen. Die komen ook de problemen tegen die kunnen worden getackeld met demping. Dan kunnen ze een probleem met een trilling oplossen door demping toe te voegen.’

Hysterese

Demping betekent echter afwijken van lineair materiaalgedrag (in de definitie van de wet van Hooke). De eigenschappen van rubber zijn bijvoorbeeld frequentieafhankelijk (voor specialisten: er kunnen voor rubbers wel lineaire visco-elastische modellen worden gebruikt). Daardoor werden dempende materialen lange tijd vermeden. Ze zorgen voor zogenaamde hysterese. Dat wil zeggen dat een systeem zich onder dezelfde omstandigheden in twee verschillende toestanden kan bevinden. Vermeulen: ‘Dat betekent onzekerheid over de positie.’

Aan dat laatste hebben precisie-engineers een bloedhekel. ‘Met demping wijk je af van het lineaire verband. Je doorloopt een hystereselus als je de kracht opvoert en vervolgens weer laat afnemen. Je weet niet precies hoe die lus wordt doorlopen, want je kent niet alle krachten die op het systeem inwerken. Vaak zijn er ook verstoringen van buitenaf en dan kun je eindigen in een positie die je van tevoren niet hebt bedacht’, verklaart Vermeulen. ‘Die onzekerheid hebben we eigenlijk lang willen vermijden. Daardoor heeft iedereen in de hightech demping links laten liggen en alles traditioneel in massa’s en veren ontworpen. Maar op een gegeven moment zijn daarvan de mogelijkheden op.’

In de cursus ‘Passive damping for high-tech systems’ behandelen Verbaan en Vermeulen de twee hoofdvormen tuned mass damping en constrained layer damping. ‘We beginnen met materialen an sich en behandelen alle uithoeken van de matrix: van metalen, meer flexibele materialen als kunststoffen en rubbers tot composieten. Vervolgens maken we de uitstap naar tuned mass dampers en hoe je onder meer kunt dempen over een groot frequentiegebied’, somt Vermeulen op. ‘Verder gaan we in op het aanbrengen van demping in de vorm van lagenstructuren op bijvoorbeeld platen of balken.’

De training ‘Passive damping for high-tech systems’ duurt tweeëneenhalve dag en gaat van start op 16 april 2019. Voor meer informatie: hightechinstitute.nl