Interview met Paul Shore
Hoogleraar ultraprecisietechnologie breekt lans voor zijn vak
19 oktober 2010
Paul Shore, hoogleraar ultraprecisietechnologie aan de Cranfield University, is komend jaar president van de European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (Euspen). Hij vindt dat we het researchspel in Europa slim moeten spelen. We moeten vooral samenwerken en goed omspringen met de schaarse butgetten. ‘Het gevaar is dat we onze research dubbel doen.’
We ontmoeten Paul Shore afgelopen september op de Industrial Technologies-conferentie in Brussel. Dit internationale forum brengt industrie, researchorganisaties, universiteiten en politiek bijeen met als doel een betere samenwerking. Shore gebruikt zijn keynote in Brussel vooral om een lans te breken voor precisietechnologie als basis voor vooruitgang in cruciale gebieden als hernieuwbare energie, kernfusie, milieu en gezondheidszorg. Daarnaast is het vakgebied de drijvende kracht achter massamarkten als chips en displays.
Als hoogleraar ultraprecisietechnologie werkt Paul Shore aan ultraprecieze massaproductie, het ontwerp van ultraprecieze machines, grootschalige fabricage van optische oppervlakken en procesmonitoring. Hij blijkt Nederland goed te kennen. Shore werkte een aantal jaren bij SKF in Nieuwegein. Bij het Zweedse bedrijf introduceerde hij onder meer de productietechnologie voor het harddraaien van kogellagers. Dat deed het overigens met machines van het Haarlemse bedrijf Hembrug. ‘Daarmee voerde ik bij het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie projecten uit om de technologie voor kogellagerfabricage te introduceren.’ Hij is lovend over de Nederlandse staat van dienst in precisietechnologie. ‘De input die we binnen Euspen uit Nederland krijgen, kent zijn gelijke niet.’
Ook in Europees opzicht is Shore optimistisch, al heeft hij kanttekeningen. In sommige markten hebben we het moeilijk, maar de hoogleraar onderstreept dat Europa wat precisietechnologie betreft in zeer goede gezondheid verkeert. ‘We zien concurrentie van zich ontwikkelende landen. Zij investeren veel. Maar in commercieel opzicht zijn we sterk, met wereldspelers als ASML, Schaeffler en SKF. Kijk naar nieuwe energietechnieken: het grootste deel van de wereldwijd geplaatste windturbines heeft kogellagers uit Europa. In de rest zitten kogellagers van productievestigingen die allemaal door Europese bedrijven worden bestuurd.’ Ook in fotovoltaïsche technologie, waar Duitsland een grote speler is, is de component precisietechnologie groot, zegt Shore. ‘Veel kleine en middelgrote precisietechnologiebedrijven in Europa hebben een sterke positie op de wereldmarkt.’
Paradepaardjes
Precisietechnologie is minder sexy dan een onderwerp als nanotechnologie. Ook staat de discipline in de schaduw van grote maatschappelijke thema’s als gezondheidszorg, milieu en energie. Shore maakt duidelijk dat oplossingen en doorbraken in de genoemde gebieden vaak wel zijn gebaseerd op precisie-engineering. ‘Engineering is niet zichtbaar’, zegt hij. ‘Daar moeten we met Euspen meer aan doen.’
Thema’s als nano- en informatietechnologie trekken op Europees niveau vaak veel meer subsidie naar zich toe. Precisietechnologie lijkt een ondergeschoven kindje, maar het is volgens Shore iets te gemakkelijk om te gaan wijzen naar de politiek. ‘We zullen zelf beter moeten onderbouwen waarom ons werk belangrijk is. Dan ondersteunen politici ons ook. Het is een blijvende uitdaging, dat zal nooit veranderen.’
Gevraagd naar de grootste bedreiging voor Europa wijst Shore naar onszelf. ‘Het is belangrijk dat we efficiënt omspringen met de beschikbare middelen voor R&D. Het gevaar is dat we onze research dubbel doen. We hebben op de verschillende thema’s samenwerking nodig tussen researchcentra met verschillende expertises. We moeten onderzoeksinstituten niet hetzelfde laten doen binnen kwesties met grote impact zoals de komende generatie energieresearch. Brede samenwerking op EU-niveau is cruciaal. Het speelt een rol binnen Euspen. Binnen die organisatie hebben we voldoende karakters om dit te reguleren.’
Ultraprecisiehoogleraar Paul Shore tijdens zijn lezingen op Industrial Technologies in Brussel
Een van de precisietechnologische paradepaardjes in Groot-Brittannië is het Integrated Knowledge Centre in Ultra Precision and Structures Surfaces (UPS2), waar Shore leiding aan geeft. Dit in Noord-Wales gevestigde researchcentrum maakt deel uit van het Welsh Optics Forum, dat de meerderheid van de Britse opto-elektronische research bundelt. Cranfield runt het UPS2 samen met de universiteit van Cambridge en het University College London. Shore: ‘We ontwikkelen er nieuwe producten die hun functionaliteitsverbetering danken aan betere oppervlakken met een hogere nauwkeurigheid, zeer vlakke oppervlakken of juist gestructureerde oppervlakken.’
Cranfield installeerde op UPS2 onder meer een productielijn voor ultraprecisieoptiek. ‘Daarmee maken we optiek op een schaal van meters met dezelfde relatieve nauwkeurigheid als de nieuwste generatie wafersteppers’, zegt Shore. Met relatieve nauwkeurigheid bedoelt hij de verhouding tussen de nauwkeurigheid van de details in het productieproces en de grootte van de geproduceerde onderdelen. Die is voor zowel de 1,5 meter grote spiegels voor ruimtetelescopen als de chips uit de steppers van ASML 1 op 100.000.000.
Ruimtespiegels
De Ultra Precision Surfaces Facility voor het maken van spiegels met diameters van 1,5 meter bestaat uit drie processtappen. De eerste is een slijpproces dat de onnauwkeurigheden op oppervlakken terugbrengt van 1 millimeter naar 1 micrometer. Deze eerste en meest ruwe bewerking lijkt weinig uitdagend, maar snelheid maakt het slijpen van 1,5 meter grote oppervlakken tot toptechnologie. Shore: ‘De slijpmachine levert prestaties die vergelijkbaar zijn met diamantdraaien. Om het proces snel te laten verlopen, levert deze machine echter 10 kW aan slijpenergie. Hitte is de vijand van precisie-engineering. De uitdaging is om de warmte snel te verwijderen, want anders beïnvloedt deze de vorm van de spiegel. Maar we hebben wel energie nodig om de snelheid te halen. Daarom meten we de vervorming met een metrologiesysteem en corrigeren we de positie van het slijpwiel.’
Na de slijpstap gaat de spiegel naar een polijstmachine van Zeeko, een spin-off van het University College London. Deze machine brengt de hoogteverdeling van het oppervlak in kaart met een interferometer. ‘Zeeko’s polijstproces komt erop neer dat de machine de hogere delen langer polijst dan de lagere, waar zij sneller overheen gaat. Zo komt het optische oppervlak dichter bij de optische beschrijving.’
Matrijs voor het printen van folies met een microstructuur die een vlak oppervlak een holle-spiegeleffect geeft. De films maken de spiegelconstructies voor zonneconcentratorcentrales zowel goedkoper als efficiënter.
De UPS2-faciliteit produceert spiegelsegmenten voor de European Extremely Large Telescope (ELT) van Eso.
Zeeko's machine brengt de spiegel naar een vormnauwkeurigheid van 0,01 tot 0,3 micrometer en een oppervlaktenauwkeurigheid van 1 nm. ‘In principe zouden we daar kunnen stoppen’, zegt Shore, ‘maar we gaan verder met een reactieve atoomplasmamachine.’ Deze werd in samenwerking met het Lawrence Livermore Lab ontwikkeld en maakt gebruik van een etsproces in een argonplasma. Het reactieve deel van het gas bestaat hoofdzakelijk uit fluor.
Het selectieve etsproces resulteert in een oppervlaktenauwkeurigheid van 0,6 nm. Daarnaast heeft het de potentie om de productielijn nog te versnellen. ‘Dat slijpen en polijsten werkt, is bewezen. Maar plasma-etsen kun je over een groot bereik inzetten. Het kan van een oppervlaktenauwkeurigheid van een micron tot een spiegel in een paar uur. Dat is veel sneller dan met conventionele technieken zoals ionenbundels.’
Nu al kan de Ultra Precision Surfaces Facility grootschalige optiek maken met een tienmaal hogere snelheid dan vergelijkbare productieprocessen, claimt Shore. De productietijd van spiegels met doorsnedes van ruim een meter is al teruggebracht van honderd naar tien uur. ‘We naderen nu snel de situatie waarbij we spiegeloptiek op de schaal van meters maken voor tienduizenden ponden in plaats van honderdduizenden. Dat is interessant voor astronomen, want die willen grote telescopen. De geplande European Extremely Large Telescope van Eso heeft duizend hexagonale segmenten van 1,5 meter in doorsnee. We moeten er nu elke dag een maken om de telescoop in vijf jaar tijd te kunnen realiseren.’
Spiegels zijn big business, poneert Shore. In telescopen zitten spiegelssystemen die de oppervlakte van een tennisveld ruim overstijgen. Ook ruimtetelescopen maken volop gebruik van spiegels (UPS2 is een door Nasa goedgekeurde leverancier van ruimtespiegels). ‘Daar heb je het over lichtgewicht optiek van chemisch zeer inerte materialen. Veel van die telescopen, de earth orbitters, kijken naar de aarde. Dat is een groeiende markt waar Groot-Brittannië relatief sterk is. Aardobservatiesatellieten leveren gegevens over gewassen, overstromingen, milieu en branden.’
Platte schermen
Precisietechnologie speelt ook een rol in de energieopwekking door kernfusie. ‘Die ontwikkeling staat nu op het punt om meer energie te genereren dan nodig is voor ontbranding’, zegt Shore. De komende tien jaar zal Europa waarschijnlijk starten met de bouw van de European High-Power Laser Energy Research Facility (Hiper), waarin laserlicht kernfusiereacties initieert. Dit systeem heeft grootschalige optiek nodig om licht te focusseren op kleine doelen. Daarbij verweert de optiek snel door het hoogenergetische licht. ‘Als je die onderdelen snel kunt maken, dan heb je een concurrentievoordeel bij de komende generatie energieproductie’, aldus Shore.
Ook brengt UPS2 hoge precisiekennis naar massafabricage. De researchfaciliteit in Noord-Wales werkt aan technieken om goedkope concentratorfilms voor fotovoltaïsche systemen te maken. De truc is om vlakke concentratorspiegels te maken met de werking van een holle spiegel. Dat kan door middel van een microtextuur. Shore: ‘Concentratorfilms op vlakke panelen zijn veel goedkopere constructies dan holle spiegels. Bovendien heb je daarmee een groter effectief spiegeloppervlak. Ik hoor dat er een behoefte is van zeven miljoen vierkante meter van deze spiegels. Spiegelsystemen verdienen zich binnen een jaar terug.’
De matrijzen voor deze concentratorfilms maakt UPS2 door de structuur met diamantbeitels in trommelvormige matrijzen van zeshonderd millimeter breed en anderhalve meter lang te draaien. Met deze matrijzen wordt een structuur in een polymeerfilm geperst. Shore: ‘De technologie is nu zo volwassen dat we gecompliceerde oppervlakken met zeer kleine features kunnen uitrollen die licht in verschillende richtingen kunnen versterken. Dan heb je het over 200 nm scherpe structuren. Het duurt ongeveer vier dagen om een matrijsrol voor de duurdere producten te maken, maar dan kun je de folies met hoge snelheid goedkoop produceren.’
Behalve bij de opwekking van zonne-energie worden gestructureerde films ook gebruikt om scherpere beelden te krijgen op platte schermen. In die markt is 3D-tv momenteel een heet onderwerp. Shore zegt dat zelfs wereldwijd opererende spelers in platte schermen de UPS2-researchfaciliteiten gebruiken om prototypes en proof of principles te krijgen. Over displaytechnologie kan hij weinig mededelingen doen. ‘Daar heb ik te maken met non-disclosure-overeenkomsten met onze klanten. Wat ik kan zeggen, is dat we werken aan complexe films voor een nieuwe generatie displays.’
Als laatste is het de moeite waard te vermelden dat UPS2 kijkt naar de massaproductie van microvloeistofreactoren en -systemen. Ook daar kan Shore niet veel over vertellen, maar hij wil wel kwijt dat daar zijn researchers daarvoor de kleine structuren met microfrezen op de rollen aanbrengen. Daarna zijn de reactoren op folie van rol tot rol uit te draaien.
