Systems Engineering maakt complexe samenwerking mogelijk

o32-case-mbsem

Afstemming cruciaal bij bouw van innovatieve elektronenmicroscoop

De ontwikkeling van een nieuw hightech apparaat dat bestaat uit verschillende complexe modules is een stevige uitdaging. Zeker wanneer meerdere partijen tegelijk vanuit verschillende disciplines aan het apparaat werken. Technolution werkt samen met drie partners aan een innovatieve elektronenmicroscoop. Met Systems Engineering houdt het consortium overzicht en controle over alle aspecten van dit geavanceerde apparaat.

Artikel uit Objective 32, november 2019 - ook beschikbaar als pdf

Scannen met elektronenbundels

Een rasterelektronenmicroscoop of Scanning Electron Microscope (SEM) brengt een preparaat in beeld door het te bestralen met een elektronenbundel. Door analyse van de teruggestrooide elektronen en de elektronen die vrijkomen uit het materiaal, kan de SEM het preparaat tot op nanometers nauwkeurig visualiseren. Ter verduidelijking: een nanometer is een miljardste meter, ongeveer zo groot als vijf atomen op een rij.

Zoveel detail in beeld brengen met behulp van een scanner heeft ook een keerzijde. Het maken van een scan kost veel tijd. Zo duurt het uren om een preparaat met een oppervlakte van één vierkante millimeter volledig te scannen. De scantijd wordt navenant langer wanneer een SEM wordt gebruikt om een driedimensionaal beeld te maken. Hiertoe wordt het monster opgesneden in flinterdunne plakjes, die één voor één worden gescand. Deze tweedimensionale scans worden samengevoegd tot een driedimensionaal beeld. Met een paar uur per plakje is een SEM hier al snel maanden mee bezig. De scantijd kan echter flink worden verkort door met meerdere elektronenbundels tegelijk te scannen. Een dergelijk systeem met meerdere bundels heet een multibeam SEM.

Meerdere bundels tegelijkertijd

Professor Pieter Kruit van de TU Delft heeft baanbrekend onderzoek gedaan op het gebied van multibeam elektronenmicroscopie. Zijn werk vormt de basis voor de research en development van een multibeam SEM door de vier partners in het consortium: de TU Delft, het Nederlandse hightech microscopiebedrijf Delmic, de internationale biotechnologie-gigant Thermo Fisher en Technolution. Ook Pieter Kruit is betrokken bij het project. De nieuwe microscoop werkt met tientallen elektronenbundels en is afgestemd op het scannen van biologische monsters.

Een uitdaging bij elektronenmicroscopie met meerdere bundels is het aan elkaar passen van de scans van de afzonderlijke elektronenbundels. Elke bundel scant een rechthoekig stukje van het monster. Omdat de elektronenbundels door een magnetische lens worden geleid, sluiten die gescande rechthoekjes nooit helemaal precies op elkaar aan. De scans moeten elkaar daarom met een paar pixels overlappen. Door middel van een kalibratie moet worden bepaald waar de scans van de bundels precies aan elkaar grenzen. Dit is nog maar één van de hindernissen die moeten worden genomen. Een andere uitdaging is het verkrijgen van voldoende contrast bij het scannen van biologische monsters.

Systems Engineering

Een elektronenmicroscoop bestaat uit verschillende systeemmodules, zoals de vacuüm scankamer met daarin de elektronenbundels, de camera (of een elektronendetector), het transportsysteem voor het monster, de dataopslag en een groot aantal kleinere modules. Elke module is op zich ook weer een complex systeem met een specifieke set functies. De modules moeten harmonisch samenwerken om tot een goed resultaat te komen. De grote opgave is de benodigde functionaliteiten op een efficiënte en logische manier over de verschillende systeemmodules te verdelen. Hierbij spelen vele aspecten mee. Hoeveel fysieke ruimte is er bijvoorbeeld beschikbaar voor een module? Hoeveel warmte mag er geproduceerd worden voordat het systeem oververhit raakt?

Om een project van een dergelijke omvang met een trial and error-methode uit te voeren, zou veel te veel tijd kosten. Daarom maakt het consortium gebruik van Systems Engineering voor het verdelen van de functionaliteiten over de systeemmodules en de toewijzing van de ontwikkelactiviteiten aan de deelnemende partijen. Systems Engineering is een uitgewerkte aanpak voor de bouw van complexe, samengestelde systemen, afkomstig uit de lucht- en ruimtevaart. Kenmerkend is het vooraf opdelen van systemen in kleine, hanteerbare modules. De eisen en specificaties van deze modules worden gedetailleerd vastgelegd, waardoor een ontwikkelaar een module kan bouwen zonder kennis over andere modules. Elementen als ruimte, energiegebruik en temperatuur worden vastgelegd in een ‘budget’, dat hij daarbij niet mag overschrijden. Alle eisen worden traceerbaar vastgelegd voor het systeem en iedere systeemmodule. Als iedere module binnen budget blijft, leidt het geheel tot een werkend systeem.

Vertrouwen in elkaar

De vier partners in het R&D-project hebben ieder hun eigen kennis en vaardigheden. Thermo Fischer is sterk in de bouw van vacuümsystemen en bundeloptiek. Technolution heeft veel ervaring met extreem snelle detectie middels elektronica. De TU Delft brengt hoogwaardige wetenschappelijke kennis en methodes in op het gebied van licht- en elektronoptiek. Delmic levert de extreem nauwkeurige lichtoptiek en bewegende onderdelen en verzorgt de complete integratie van de multibeam SEM. Toch kan het zelfs met een beproefde methode als Systems Engineering lastig zijn om technologische keuzes te maken en taken te verdelen. Als de disciplines van de partners elkaar niet overlappen, kun je sommige risico’s niet direct afdekken. Als ze wél overlappen, moet er een keuze gemaakt worden wie de verantwoordelijkheid krijgt om de risico’s af te dekken. Heldere afspraken, een duidelijke taakverdeling en vooral vertrouwen in elkaar zijn dan ook cruciaal.

De samenwerking heeft inmiddels geleid tot een succesvol ‘proof of principle’. De volgende mijlpaal is het maken van beelden met een bètasysteem waarin alle gerealiseerde systeemmodules aan elkaar zijn gekoppeld. Wanneer deze stap succesvol is afgerond, volgt een pilot van multibeam SEM’s met ‘early adopters’ – microscopie-experts in de universitaire wereld.

Systems Engineering

Systems Engineering is de aangewezen methode om complexe apparatuur te ontwikkelen door deze op te delen in modules, elk met hun eigen (deel)systeemeisen. Hierbij worden vele aspecten vastgelegd, zoals functionele specificaties en beperkingen, en de interfaces met andere modules. Een paar tips uit onze eigen praktijk:

  • Selecteer specialisten die beschikken over diepgaande kennis van hun eigen disciplines.
  • De specialisten moeten ook in staat zijn om buiten hun eigen kaders te denken en de taal van de andere partners te spreken. Zo heeft een specialist voor datatransport ook begrip van warmtehuishouding nodig, omdat het datatransport niet te veel hitte mag genereren.
  • Traceerbaarheid is cruciaal. Voor procesbeheersing, maar ook om issues te kunnen identificeren en zo nodig terug te grijpen naar eerder gemaakte keuzes.
  • Bent u een start-up? Dan komen onverwachte veranderingen van specificaties, afspraken en processen bovengemiddeld vaak voor. Zoek partners met een flexibele instelling.
  • Partners in een Systems Engineering-traject zijn vaak ook investeerders. Zie niet alleen de toekomstige verkoop van producten als beloning, maar ook de kennis en ervaring die onderweg worden opgedaan.

Gerelateerde items

Miniscuul OS ThreadX geport naar Risc-V

Lees verder

Project

Systeemintegratie in het netwerk: SigmaXG

Lees verder

Project

Asset Performance Management oplossingen

Lees verder

Bouwblok

Intelligentie aan de randen van de cloud houdt datastromen in toom

Lees verder

Publicatie