PM demonstreert competenties met ontwikkeling eigen motionplatform

Lagerspecialist PM haalt steeds meer business uit de ontwikkeling en productie van maatwerk motionsystemen. Op de Precisiebeurs lanceert het Overijsselse bedrijf een zeer nauwkeurige stage voor waferinspectietoepassingen. Het Vega-motionplatform is ontwikkeld als vlaggenschip om te demonstreren welke capaciteiten PM in huis heeft.

Alexander Pil
29 oktober

Dedemsvaart, het is niet direct een plaats waar je een hightechbedrijf verwacht. Maar PM verdient dat label zonder twijfel. Al ruim vijftig jaar ontwikkelt en produceert het familiebedrijf zeer nauwkeurige lineaire en rondlopende lagers en sledes. PM concentreert zich hierbij op toepassingen in de precisie-industrie, waarbij vaak hoge eisen worden gesteld aan loopweerstand, loopzuiverheid en stijfheid van het lager. In al die jaren is het standaard assortiment steeds verder gegroeid. Maatwerk begint echter de norm te worden; catalogusproducten bedragen nog maar zo’n 30 procent van de omzet. Steeds vaker vragen klanten om aanpassingen aan standaard componenten. Ze moeten bijvoorbeeld net even wat nauwkeuriger, kleiner of robuuster zijn, of ze hebben een extra montagemogelijkheid nodig. Uit die opdrachten haalt PM ook 30 procent van zijn business.

Het Vega-motionsysteem van PM is supernauwkeurig omdat alle zwaartepunten en aandrijfkrachten door één vlak gaan.

PM’s derde, en groeiende, businesslijn draait om zeer precieze positioneeroplossingen. Omdat dat voor hightechbedrijven in de halfgeleider-, medische, optische of analytische markt geen coretechnologie is, leggen ze de ontwikkeling van hun motionstages het liefst buiten de deur. PM trekt dat graag naar zich toe omdat het een perfecte aanvulling vormt op zijn lagerontwikkeling en -productie. Als de ontwikkelaars in Dedemsvaart voor een project bijvoorbeeld een speciaal lager nodig hebben, kunnen ze dat simpel en snel intern oplossen. En de maakkennis uit de eigen fabriek is zeer waardevol tijdens het designproces.

Normaal gesproken bouwt PM de motionplatforms in opdracht van en in samenwerking met de klant. Anderhalf jaar geleden begon het bedrijf echter met de ontwikkeling van een eigen product. PM-engineers bezochten een aantal klanten om te kijken welke ontwikkelingen zich in hun markt afspelen en welke producten ze nodig hebben om over ruim vijf jaar nog succesvol te kunnen opereren. Uit al die gesprekken hebben ze een set requirements afgeleid waaraan een volgende generatie motionsystemen zou moeten voldoen.

PM zette zijn ontwikkelaars aan het werk om deze eisen te vertalen naar een verantwoord design. Het Vega-motionplatform moest een supernauwkeurige stage worden, gericht op backend-waferinspectie. ‘Dat is een zeer veeleisende markt’, weet Jan Willem Ridderinkhof, manager r&d en engineering bij PM. ‘Als we in die industrie kunnen presteren, moeten we dat ook kunnen uitbreiden naar bijvoorbeeld de medische markt.’

Sentech Precisiebeurs

Hoge doorvoer

PM heeft de lat voor zichzelf heel hoog gelegd. Over een slag van meer dan driehonderd millimeter moet de mechanische nauwkeurigheid in de x- en y-richting beter zijn dan 1 micrometer, bij versnellingen van 2g en snelheden tot 2 m/s. Trillingen in dat vlak moeten onder de 25 nanometer blijven. Trillingen in de z-as – die wordt gebruikt om de wafer in het focuspunt van de optica te krijgen – mogen zelfs niet groter zijn dan 10 nanometer. Als je bedenkt dat de wafer razendsnel heen en weer moet schieten, en er daardoor ook veel warmte wordt gegenereerd, zijn die nauwkeurigheden zeer uitdagend. Het is echter wel noodzakelijk omdat de doorvoer van zo’n machine, en dus de bewegingssnelheid en settletijd, essentieel zijn in chipproductie.

‘De filosofie waarmee we zijn begonnen, is dat alle zwaartepunten en aandrijfkrachten door één vlak zouden moeten gaan’, vertelt lead engineer Mathys te Wierik. Om uit te leggen wat hij bedoelt, trekt hij een vergelijking. ‘Als je met een motor op de snelweg rijdt, grijpt de kracht aan op het asfalt. Maar het zwaartepunt van de motor en zijn berijder ligt een stuk boven het wegdek. Als je flink gas geeft, maak je daarom een wheelie.’ In een systeem als Vega is dat funest voor de nauwkeurigheid. ‘Onze motoren mogen geen kantelmoment veroorzaken en dat kan door het zwaartepunt en de motorkrachten goed uit te lijnen. Bijkomend voordeel is dat de belasting op de lagers op die manier minimaal blijft. En minder slijtage betekent een langere levensduur.’

Het design was een zeer iteratief proces, want elk onderdeeltje dat je weghaalt of toevoegt, heeft direct effect op het zwaartepunt.

Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Voor alleen de x-richting is het nog relatief simpel om de aandrijfas van de motor door het zwaartepunt te laten gaan. ‘Normaal gesproken zou je daar een tweede module bovenop zetten om de beweging in de andere richting te realiseren, en nog een derde module voor de z-as’, zegt Te Wierik. ‘Door zo te stapelen, verplaats je echter het zwaartepunt van het bewegende deel en dat willen we juist niet. Bovendien staan de stijfheden van alle assen dan in serie met elkaar, waardoor de stijfheid van het geheel afneemt.’

De PM-ontwikkelaars vonden een oplossing om dit te voorkomen. De constructie bestaat uit een liggend raamwerk dat over twee lagers loopt – als een trein op spoorrails. In dat vierkante frame zit een platform dat loodrecht heen en weer glijdt. In dit schuifpaneel hebben de engineers uit Dedemsvaart de z-theta-module geïntegreerd die verantwoordelijk is voor draaiingen en voor bewegingen op en neer. Te Wierik: ‘Hierdoor zit alles in één vlak.’

Iteratief proces

Daarmee was de kous zeker nog niet af. Want wat zou de ideale vorm van het frame zijn? Wat is de meest gunstige manier van construeren als je kijkt naar stijfheid, doorbuiging en massa? In Matlab schreef PM een eigen programma voor topologie-optimalisatie. ‘We hebben in die simulatie gelijk gekeken naar de maakbaarheid’, zegt Ridderinkhof. ‘In de lengterichting moesten de profielen bijvoorbeeld gelijk blijven zodat we ze goed kunnen frezen.’ Zo itereerden de ontwikkelaars uiteindelijk naar een C-profiel waar het schuifpaneel voor de y-beweging tussendoor glijdt.

De volgende vraag was hoe dat platform moest worden aangedreven. Verschillende concepten passeerden de revue, maar PM kwam uiteindelijk uit bij een oplossing op basis van een ironless motor. ‘Dat levert een wat ingewikkeldere constructie op’, geeft Te Wierik toe, ‘maar zo kunnen we wel de motor, het lager en de encoder allemaal op de onderste deel van het C-profiel monteren. Dat maakdeel krijgt dus het zwaarste eisenpakket mee. De rest kunnen we met minder nauwkeurigheid, en dus voordeliger, produceren.’

Ridderinkhof benadrukt nog een keer dat het een zeer iteratief proces is geweest. ‘Elk stukje materiaal dat je wegfreest of elk onderdeeltje dat je toevoegt, heeft gelijk effect op het zwaartepunt. Ook het object dat uiteindelijk op de stage komt te liggen, heeft een massa waarmee we rekening moeten houden. Daarom hebben we ook zo specifiek gekozen om het platform te richten op backend-inspectie. Zo’n wafer heeft namelijk een goed bepaalde massa.’

De z-theta-module zorgt ervoor dat de wafer goed onder de optica is gepositioneerd.

Een andere uitdaging was de thermische huishouding. PM heeft gekozen voor aluminium als constructiemateriaal. Te Wierik: ‘Dat is lekker licht en relatief stijf, dus heel geschikt voor snel bewegende systemen. Het nadeel is alleen dat aluminium een hoge uitzettingscoëfficiënt heeft. We hebben daarom veel gerekend en gesimuleerd hoe we alle warmte goed kunnen afvoeren en de uitzetting onder controle kunnen houden. Ook al voeg je daarmee massa toe, het bleek toch de beste oplossing om een aantal koelvinnen in het design op te nemen.’

In zijn productiehal in Dedemsvaart bouwt PM op dit moment de eerste prototypes. Op de Precisiebeurs toont het bedrijf het Vega-motionplatform voor het eerst aan het publiek. ‘Pas als we een fysieke versie hebben, kunnen we bepalen of we de requirements hebben gehaald’, zegt Ridderinkhof. ‘Uiteindelijk is het project voor ons een waardevolle ervaring om de complete ontwikkeling van zo’n complex systeem binnen de gestelde budgetten en deadlines te realiseren.’