Stel je een forse metalen tol voor met een vlakke bovenkant die roerloos in een frame zweeft, en die door magneten op zijn plaats wordt gehouden met bijna atomaire nauwkeurigheid.
Promovendus ir. Leon Jabben van Advanced Mechatronics (Faculteit 3mE) maakte samen met zijn collega’s Peter Overschie en Hussein El-Husseini zo’n opstelling om de grenzen van magnetische lagering op te rekken.
Een plaatje draaien met haast atomaire nauwkeurigheid, waarbij de baan gemiddeld niet meer dan enkele nanometers afwijkt, waarom zou je dat willen? Een nanometer is een miljoenste van een millimeter en ongeveer tien keer groter dan een koolstofatoom. Waarom zo nauwkeurig? “We wilden aantonen dat met magnetische lagering zulke specificaties haalbaar zijn,” legt Leon Jabben onder de koffie uit. Met een permanente glimlach en eindeloos geduld legt hij uit wat de missie was achter zijn prototype draaitafel.
De meest concrete toepassing zou een opstelling zijn voor de mastering van dvd’s of de opvolger daarvan, de Blu-ray Disk (BD). Bij het masteren wordt een putjespatroon in de vorm van een spiraal op een optische disk vastgelegd. Deze putjespatronen worden met de voortschrijdende techniek almaar fijner. Maar die verfijning stelt hogere eisen aan de precisie van de lasersturing bij het masteren.
Er wordt daarbij onderscheid gemaakt tussen twee verschillende soorten afwijkingen: de synchrone (bijvoorbeeld als gevolg van excentriciteit) en de asynchrone of willekeurige afwijkingen. Jabben: “De tracks mogen best aardappelvormig zijn, zolang de afstand tussen de tracks maar constant blijft. Maar asynchrone, willekeurige verstoringen geven een slecht resultaat op de spoorafstand.” Dat is gevaarlijk omdat bij het afspelen de informatie van twee tracks wordt gemixed, of – erger nog – de laser letterlijk het spoor bijster raakt en het afspelen stokt.
De bestaande BD-masteringmachines werken met luchtlagering. Als het om atomaire precisie gaat, dan zijn kogellagers allang een gepasseerd station. Dat zou zoiets zijn als een autocarosserie voortbewegen op rollende boomstammen. Luchtlagering werkt doordat een luchtstroom twee nauwsluitende vormen met overdruk op afstand houdt. Maar de stijgende eisen betekenen steeds smallere luchtspleten en extreem hoge nauwkeurigheidseisen voor de oppervlaktebewerking van de lagers.
Zweeftreinen
Magnetische lagering heeft daarbij vergeleken veel voordelen. Zo is de zogenaamde mechanische tolerantie een stuk hoger. Of, zoals Jabben zegt: “Ik heb de opstelling zelf met de hand in elkaar geschroefd, en toch is ‘ie dus op enkele nanometers nauwkeurig.” Daarnaast is een magnetische lagering contactloos, heeft daardoor geen wrijving (dat zou funest zijn voor precieze positionering) en werkt bovendien ook in vacuúm. De techniek wordt al toegepast in gasturbines, vacuúmpompen en zweeftreinen. Alleen was magnetische lagering tot nu toe minder nauwkeurig dan luchtlagering. Daar heeft Jabben nu verandering in gebracht door de nauwkeurigheid van magnetische lagering met een factor twintig tot veertig te verhogen.
In de opstelling gebeurt dat door een stelsel van afstandsensoren, gekoppeld aan acht elektromagneten. De sensoren meten de capaciteit tussen het frame en de rotor met een nauwkeurigheid van een nanometer. Die meetsignalen worden negenduizend keer per seconde omgerekend naar stroomsterktes voor de acht rondom gemonteerde elektromagneten die samen de rotor op zijn plek houden.
Jabben en z’n collega’s hebben een prototype gebouwd dat het potentieel van magnetische lagering aantoont. Luchtlagering krijgt er daardoor een geduchte concurrent bij, want door de lagere mechanische eisen kan magnetische lagering – ondanks de nauwkeurige sensoren – toch goedkoper uitvallen.
Ir. Leon Jabben verdedigt zijn proefschrift ‘Mechatronic Design of a Magnetically Suspended Rotating Platform’op 10 december. Promotoren zijn prof.dr.ir. J. van Eijk en prof.ir. O.H. Bosgra.
De verfijning van de structuur betekent een vergroting van de opslagcapaciteit. Van 0,65 GB voor de CD, via 4,7 GB op DVD naar 25 GB voor de BD.
Een plaatje draaien met haast atomaire nauwkeurigheid, waarbij de baan gemiddeld niet meer dan enkele nanometers afwijkt, waarom zou je dat willen? Een nanometer is een miljoenste van een millimeter en ongeveer tien keer groter dan een koolstofatoom. Waarom zo nauwkeurig? “We wilden aantonen dat met magnetische lagering zulke specificaties haalbaar zijn,” legt Leon Jabben onder de koffie uit. Met een permanente glimlach en eindeloos geduld legt hij uit wat de missie was achter zijn prototype draaitafel.
De meest concrete toepassing zou een opstelling zijn voor de mastering van dvd’s of de opvolger daarvan, de Blu-ray Disk (BD). Bij het masteren wordt een putjespatroon in de vorm van een spiraal op een optische disk vastgelegd. Deze putjespatronen worden met de voortschrijdende techniek almaar fijner. Maar die verfijning stelt hogere eisen aan de precisie van de lasersturing bij het masteren.
Er wordt daarbij onderscheid gemaakt tussen twee verschillende soorten afwijkingen: de synchrone (bijvoorbeeld als gevolg van excentriciteit) en de asynchrone of willekeurige afwijkingen. Jabben: “De tracks mogen best aardappelvormig zijn, zolang de afstand tussen de tracks maar constant blijft. Maar asynchrone, willekeurige verstoringen geven een slecht resultaat op de spoorafstand.” Dat is gevaarlijk omdat bij het afspelen de informatie van twee tracks wordt gemixed, of – erger nog – de laser letterlijk het spoor bijster raakt en het afspelen stokt.
De bestaande BD-masteringmachines werken met luchtlagering. Als het om atomaire precisie gaat, dan zijn kogellagers allang een gepasseerd station. Dat zou zoiets zijn als een autocarosserie voortbewegen op rollende boomstammen. Luchtlagering werkt doordat een luchtstroom twee nauwsluitende vormen met overdruk op afstand houdt. Maar de stijgende eisen betekenen steeds smallere luchtspleten en extreem hoge nauwkeurigheidseisen voor de oppervlaktebewerking van de lagers.
Zweeftreinen
Magnetische lagering heeft daarbij vergeleken veel voordelen. Zo is de zogenaamde mechanische tolerantie een stuk hoger. Of, zoals Jabben zegt: “Ik heb de opstelling zelf met de hand in elkaar geschroefd, en toch is ‘ie dus op enkele nanometers nauwkeurig.” Daarnaast is een magnetische lagering contactloos, heeft daardoor geen wrijving (dat zou funest zijn voor precieze positionering) en werkt bovendien ook in vacuúm. De techniek wordt al toegepast in gasturbines, vacuúmpompen en zweeftreinen. Alleen was magnetische lagering tot nu toe minder nauwkeurig dan luchtlagering. Daar heeft Jabben nu verandering in gebracht door de nauwkeurigheid van magnetische lagering met een factor twintig tot veertig te verhogen.
In de opstelling gebeurt dat door een stelsel van afstandsensoren, gekoppeld aan acht elektromagneten. De sensoren meten de capaciteit tussen het frame en de rotor met een nauwkeurigheid van een nanometer. Die meetsignalen worden negenduizend keer per seconde omgerekend naar stroomsterktes voor de acht rondom gemonteerde elektromagneten die samen de rotor op zijn plek houden.
Jabben en z’n collega’s hebben een prototype gebouwd dat het potentieel van magnetische lagering aantoont. Luchtlagering krijgt er daardoor een geduchte concurrent bij, want door de lagere mechanische eisen kan magnetische lagering – ondanks de nauwkeurige sensoren – toch goedkoper uitvallen.
Ir. Leon Jabben verdedigt zijn proefschrift ‘Mechatronic Design of a Magnetically Suspended Rotating Platform’op 10 december. Promotoren zijn prof.dr.ir. J. van Eijk en prof.ir. O.H. Bosgra.
De verfijning van de structuur betekent een vergroting van de opslagcapaciteit. Van 0,65 GB voor de CD, via 4,7 GB op DVD naar 25 GB voor de BD.
Comments are closed.