Koud en kwetsbaar – Het bekroonde afstudeerwerk van Teun van de Sande

In 2020 krijgt Teun van de Sande de Wim van der Hoek Award toegekend voor zijn afstudeerwerk aan de TU Eindhoven, uitgevoerd bij Prodrive Technologies: “Design of a Retractable Imaging Device for Transmission Electron Microscopy”. Hij ontwerpt een complex bewegingsmechanisme voor een kwetsbare beeldsensor. Het geheel moet in een zeer kleine ruimte en onder extreme koude kunnen werken.

Tekst: Hans van Eerden

Prodrive Technologies ontwikkelt en produceert beeldvormende systemen die onder meer worden gebruikt voor het bestuderen van biologische monsters. De beeldsensoren in deze systemen zijn vaak kwetsbaar en moeten functioneren onder extreme omstandigheden, zoals vacuüm en zeer lage temperaturen in het geval van diepgevroren biologische samples. Ze moeten daarom goed worden ondersteund; ook de support moet bestand zijn tegen de vrieskou en de bijbehorende temperatuurveranderingen vanaf kamertemperatuur.

De opdracht voor Teun van de Sande is om een bewegingsmechanisme te ontwerpen voor een beeldvormend systeem dat in een vacuümomgeving kan worden ingetrokken. Hij moet daarvoor twee ontwerpopgaven oplossen. De ondersteuning moet statisch bepaald zijn – om beschadiging van de kwetsbare beeldsensor te voorkomen – en een lage thermische weerstand hebben om te kunnen voldoen aan de strenge eisen voor de koeling. Verder moet hij een lineair intrekmechanisme ontwerpen dat ook weer statisch bepaald is en zonder schok of botsing het einde van de slag bereikt. Dit mechanisme moet met een hoge nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid de sensor intrekken en weer uitschuiven. Dat vereist een goed gedefinieerde voorspanning. Vanwege vertrouwelijkheid kunnen niet alle specificaties verder in detail worden gedeeld; zie ook het eerdere (Engelstalige) artikel in Mikroniek (2021, nr. 3).

Van de Sande maakt een ontwerp met afmetingen van 200 mm x 150 mm x 75 mm. De beeldsensor met ondersteuning bevindt zich in een vacuüm-omgeving. Een vacuümbalg zorgt voor afscheiding van de atmosferische druk. In een schematische doorsnede is te zien dat één uiteinde van de balg verbonden is met de interfaceflens (de vaste wereld), terwijl het andere uiteinde wordt afgesloten door de balgflens. Dit ontwerp zorgt ervoor dat zo weinig mogelijk componenten zich in het vacuüm bevinden, om uitgassing uit de constructiedelen in de vacuümomgeving zoveel mogelijk te beperken.

Thermische uitdaging

In de constructie moet thermische vervorming van de kwetsbare beeldsensor worden voorkomen. Dat kan door voor de verschillende onderdelen materialen te selecteren met een vergelijkbare thermische uitzettingscoëfficiënt (coefficient of thermal expansion, CTE). Naast de beeldsensor gaat het om de ondersteuning, waarbij de printplaat van de sensor wel een andere CTE heeft; deze is daarom thermisch ontkoppeld van de ondersteuning.

De ondersteuning op haar beurt is bevestigd aan een koellichaam voor de afvoer van warmte. Deze bevestiging moet statisch bepaald, en daardoor spanningsvrij, zijn om de extreme temperatuurschommelingen goed te kunnen opvangen. Daarom zit tussen koellichaam en ondersteuning interfacemateriaal met een lage thermische weerstand. De bevestiging is uitgevoerd met drie sleufgaten in de ondersteuning die in het midden van de beeldsensor een thermisch centrum creëren; zo’n thermisch centrum blijft onveranderlijk onder temperatuurveranderingen. Bijgevolg worden thermische vervormingen en daarmee mogelijke pixelbewegingen zoveel mogelijk voorkomen.

Het thermisch centrum is bepaald, zoals in een bovenaanzicht aangegeven, door de kruising van de stippellijnen die door de sleufgaten lopen. De printplaat is ook mechanisch ontkoppeld doordat een flexibel onderdeel de verbinding verzorgt; daardoor wordt de bewegingsvrijheid van de sensor niet beperkt. Dankzij dit ontwerp wordt de positie van de sensor alleen bepaald door de ondersteuning – en is de montage relatief eenvoudig.

Binnen de ondersteuning zijn de mechanische en thermische paden echter niet volledig ontkoppeld. Omdat er tijdens bedrijf van de beeldsensor nagenoeg een constante temperatuur heerst, is de thermische vervorming van de ondersteuning dan te verwaarlozen

Mechanische uitdaging

Bij voorkeur wordt het bewegingspad mechanisch goed gedefinieerd om te voorkomen dat er tijdens de beweging een botsing/schok kan optreden. De slag in de x-richting is met ongeveer 100 mm relatief groot. Daarom moet in de ingeschoven positie de balgflens dicht bij de interfaceflens worden ondersteund om een behoorlijke stijfheid te verkrijgen en de vereiste herhaalbaarheid te kunnen realiseren.

Een typisch geleidingsconcept kan worden gebaseerd op twee conventionele lineaire lagers, voorgespannen met voorspanschroeven. Nadeel is dat deze voorspanmethode resulteert in een vormgesloten constructie, waarbij verkeerde uitlijning of slijtage de voorspanning kan beïnvloeden. Dit kan leiden tot een onvoorspelbare voorspanning met variaties over de slag (of in de tijd), wat het dynamische gedrag in de ingeschoven positie negatief beïnvloedt. Bovendien kan deze voorspanmethode nadelig zijn voor het thermisch gedrag, omdat de zijwaartse uitlijning wordt gedefinieerd bij het linker lineaire lager in plaats van in het middenvlak.

De lineaire lagers leggen vijf vrijheidsgraden vast, wat een overbepaalde constructie is. De mate van overbepaaldheid moet worden verlaagd; dat vereist strikte productietoleranties. Daar komt nog bij dat de lineaire geleiding ook zorgt voor overbepaaldheid van de balg. De balg legt in deze constructie één vrijheidsgraad vast, namelijk de rotatie R_x om de bewegingsrichting.

Overbepaaldheid heeft niet de voorkeur, omdat dit interne spanningen veroorzaakt die de herhaalbaarheid negatief kunnen beïnvloeden en op de lange termijn tot schade kunnen leiden. Een lineaire geleiding met looprollen heeft deze nadelen niet, omdat deze slechts vier vrijheidsgraden (y, z, R_y, R_z) vastleggen door de gebolde looprollen naar het midden van de balg te richten.

In dit geleidingsconcept is de sensor gemonteerd op een slede die op de frameplaten wordt geleid met behulp van twee sets stalen rollen, die aan de linker- en rechterkant van de slede zijn gemonteerd. Een set rollen bestaat uit twee hoofdlooprollen aan de onderkant en één voorspanrol aan de bovenkant. De voorspanrol bevindt zich – van bovenaf gezien, langs de z-as – gecentreerd tussen beide hoofdlooprollen.

Deze lineaire geleiding is symmetrisch en laat de balg vrij roteren in R_x, wat interne spanningen minimaliseert. De balg is bevestigd aan de lineaire geleiding, die zich in de ingeschoven positie dicht bij de interfaceflens bevindt om in deze positie aanzienlijke stijfheid te bieden.

Bistabiel krukmechanisme

De gewenste beweging in de x-richting wordt uitgevoerd door een krukmechanisme. De kruk wordt ondersteund door een mechanisme dat compenseert voor de relatief hoge constante kracht op de balgflens als gevolg van het drukverschil tussen vacuüm en atmosferische druk. Een motor met een tandwielkast drijft het krukmechanisme aan.

Het krukmechanisme heeft een relatief hoge stijfheid in de ingeschoven positie en in de teruggetrokken positie, omdat drijfstang en kruk in deze twee posities op elkaar zijn uitgelijnd. Dit ontwerp van de aandrijving is compact, waardoor deze achter de slede kan worden geplaatst voor correcte uitlijning van de aandrijfkracht met de kracht op de balgflens. Op deze manier worden er geen interne momenten opgewekt. Minpunt bij deze voordelen is wel dat het krukmechanisme een kracht loodrecht op de aandrijfkracht veroorzaakt tijdens de beweging. Deze kracht wordt in het voorgestelde ontwerp echter volledig geabsorbeerd door de lineaire geleiding.

De snelheid van het krukmechanisme aan het begin en einde van de slag is standaard nul, wat zorgt voor een botsings- en schokvrije beweging van de sensoreenheid. Uiteraard vergrendelt het mechanisme de sensoreenheid in de teruggetrokken positie.

Aan het einde van de slag is een adequate ‘landing’ op het interface essentieel om te voorkomen dat trillingen in de beeldsensor worden opgewekt en om een behoorlijke stijfheid in de bewegingsrichting te bieden. Afhankelijk van de werkelijke productietoleranties is het mogelijk dat de slede al op het grensvlak is geland terwijl het krukmechanisme nog een paar graden moet draaien. Het krukmechanisme kan dan zijn slag voltooien door de drijfstang in te drukken, zonder interne spanningen te veroorzaken. Tijdens de slag is de drijfstang in staat de trekspanningen te verdragen.

In dit geval is de botsingssnelheid niet exact gelijk aan nul. De snelheid van de slede is echter voldoende laag als het krukmechanisme zich enkele graden voor het einde van de slag bevindt. De botsingskracht zal daarom in de orde van 1 N liggen; dit kan als verwaarloosbaar laag worden beschouwd.

De slede heeft twee afgeronde landingspennen aan de voorzijde, die op een verhard oppervlak van de interfaceflens kunnen landen. Beide landingspennen zorgen voor een puntcontact. De pennen op de slede moeten de informatie over de (mogelijk verkeerd uitgelijnde) hoek van de interfaceflens in R_z kopiëren om de lineaire geleiding niet te veel te belasten, wat de interne spanningen tijdens de landing aanzienlijk reduceert. Dit wordt gerealiseerd met één vaste landingspen en één samendrukbare landingspen, die beide symmetrisch ten opzichte van het middenvlak zijn geplaatst. De samendrukbare pen moet na installatie met een schroef worden vastgezet om de hoekinformatie van R_z te kopiëren.

Conclusie

Teun van de Sande demonstreert met zijn ontwerp de kracht van de VanderHoekse constructieprincipes. Zijn overwegingen voor de hier gepresenteerde lineaire geleidingsconcepten vormen een mooi voorbeeld van verschillende ontwerpstrategieën. De eerste strategie is gebaseerd op een veelgebruikte kant-en-klare oplossing die zorgt voor een overbepaalde constructie. Als strikte productietoleranties worden gehanteerd, is deze overbepaaldheid in veel gevallen acceptabel.

Nu is het wel mogelijk om met toepassing van bladveren interne spanningen ten gevolge van overbepaaldheid te verminderen. Principieel de beste strategie is echter om meteen een statisch bepaald ontwerp te maken dat licht, stijf en – in dit geval – compact is. Een statisch en thermisch bepaald ontwerp leidt immers tot gunstig dynamisch gedrag en minimale hysterese.