(Du.: Feinwerktechnik; Eng.: fine mechanics), in strikte zin het complex van vaardigheden nodig voor het vervaardigen van mechanische produkten die gekenmerkt worden door kleine afmetingen.
Opgemerkt moet worden dat met precisietechniek en de vertalingen van deze uitdrukking in principe iets anders bedoeld wordt, t.w. die sectoren van de techniek waar uiterst nauwe toleranties onafhankelijk van de afmetingen een rol spelen; er zijn natuurlijk wel overlappingen met de fijnmechanische techniek.Hoewel de grenzen in de gegeven definitie niet scherp te trekken zijn betekent ‘klein’ in dit verband: afmetingen tussen enkele tiende mm en enkele meters. In de praktijk heeft de term een veel ruimere betekenis. Niet alleen wordt er een reeks min of meer bijzondere bewerkings- en produktiemethoden onder verstaan, maar ook het ontwerpen van produkten wordt eronder begrepen en daarmee ook het beheersen van de basiskennis aangaande de werking van de produkten. Bij ‘produktie’ moet zowel aan enkelstuks fabricage bijv. in een fijnmechanische werkplaats of instrumentmakerij, als aan serie- en massafabricage door de fijnmechanische industrie gedacht worden. Tot de fijnmechanische produkten worden, behalve zuiver mechanische (inclusief hydraulische en pneumatische) werktuigen, ook gerekend werktuigen die voor een deel elektrisch en/of elektronisch werken; voorbeelden zijn aanwijzende meetinstrumenten (voor lengte, afstand, snelheid, toerental, massa, kracht, koppel, ruwheid, druk, geluidsdruk, verlichtingssterkte, temperatuur, elektrische stroom en - spanning, frequentie, vermogen enz.; recorders voor deze grootheden; opnemers; weegtoestellen, kilowattuurmeters, gasmeters, watermeters), regelapparatuur en referentiebronnen (thermostaten, pneumatische en elektrische regelaars en omzetters, gyroscopen), telecommunicatietoestellen (telefoontoestellen en -centrales, telexapparaten, TV-apparatuur, radarapparatuur), registratie- en afspeelapparatuur voor geluid en beeld (platenspelers, bandopnemers, videorecorders, microfoons), optische apparaten (foto- en filmcamera’s, projectoren, microscopen, verrekijkers, telescopen, lasers), bureaumachines (schrijf-, boekhoud- en rekenmachines), randapparatuur voor computers (kaart- en bandponsmachines, kaart- en bandlezers, sorteermachines, computergeheugens), uurwerken (horloges, klokken, programmaschakelaars), huishoudelijke apparaten (mixers, elektrische molens, droogscheerapparaten enz.), fijngereedschap, manipulatoren (ultramicrotooms, tandartsboormachines), medisch gereedschap voor chirurgie, infusie, metingen, prothesen, fijnmechanische halffabrikaten en kleine onderdelen, elektrische en elektronische componenten (passieve componenten, schakelaars, lampen, halfgeleiders, transistoren, integrated circuits, kristallen) en produktiemiddelen daarvoor.
Bij fijnmechanische produkten spelen niet alleen mechanische aspecten een rol maar ook andere kunnen van belang zijn, zoals elektrische, elektronische, optische en medische aspecten. De opgesomde werktuigen dienen vrijwel alle voor een of andere vorm van informatieverwerking. Men kan dit stellen tegenover andere werktuigen die het karakter van energie-omzetter hebben, d.w.z. die dienen om de spierkracht van de mens te hulp te komen of te vervangen (voertuigen, hijswerktuigen, graafwerktuigen, pompen enz., voorts motoren, generatoren, verbrandings- en verwarmingsinstallaties, chemische proceswerktuigen).
Ter verbetering van het energierendement en verlaging van de specifieke kosten bestaat de neiging steeds grotere eenheden te bouwen. Daartegenover dienen informatie-omzetters om de zintuigen van de mens te hulp te komen of te vervangen. De daarbij verbruikte energie is meestal van minder belang dan de vereiste nauwkeurigheid. Alleen in bijzondere gevallen vormt het energierendement een probleem. Het verlies van informatie, het optreden van fouten van allerlei aard, is als regel het hoofdprobleem. In vele gevallen bestaat de neiging tot miniaturisering.
Niet alle fijnmechanische produkten zijn echter informatie-omzetters (bijv. scheerapparaten, tandartsboormachines, huishoudelijke apparaten zijn gereedschappen die spierkracht vervangen), niet alle informatie-omzetters zijn fijnmechanische produkten (bijv. luidklokken, vuurtorens, radarantennes). Vele werktuigen laten zich niet eenvoudig indelen; ze bezitten zowel een energiekanaal voor het werk, als een informatiekanaal voor de besturing (bijv. auto’s, vliegtuigen, gereedschapswerktuigen, schrijfmachines, microtooms).
Het werkterrein van de fijnmechanische techniek wordt in de eerste plaats bepaald door de kleine afmetingen van de produkten. Dit typische aspect voert zowel tot beperkingen als tot verruiming van mogelijkheden vergeleken met de machinebouw. Dat de produkten in meerderheid het karakter hebben van informatieomzetter heeft consequenties die vooral liggen bij het ontwerpen en construeren van deze produkten.
Het assortiment bewerkingsmethoden, die kunnen worden toegepast bij kleine afmetingen van te bewerken constructie-elementen is groter dan in de machinebouw; meestal is dat ook noodzakelijk omdat met de gebruikelijke bewerkingen zoals verspanen, gieten, lassen, niet de vereiste nauwkeurigheid van afmetingen kan worden bereikt.
Naast het verspanen (draaien, freezen enz.) worden als materiaalafnemende bewerkingen toegepast: vonkverspanen, fotochemisch etsen, elektrochemisch bewerken, ultrasoonboren, snijden en boren met een elektronen- resp. een laserstraal.
Naast het gieten, walsen en trekken worden als (ver-)vormende bewerkingen toegepast: precisiegieten (o.a. verloren wasmethode), spuitgieten, sinteren, opdampen in vacuo, sputteren, galvanisch opbouwen, trekken (van zeer dunne draden), dieptrekken. Naast het lassen worden als verbindende bewerkingen toegepast: solderen, elektrisch puntlassen, thermocompressie, ultrasoon lassen, elektronenstraal lassen, laserstraal lassen, lijmen, ingieten.
Mechanisatie van de produktie.
Materiaalaanvoer, aanvoer van onderdelen voor de montage, de montage zelf, bandtransport tijdens montage enz., is weinig bezwaarlijk bij kleine afmetingen. Meestal maken de te produceren aantallen mechanisatie van de produktie ook aantrekkelijk zoal niet noodzakelijk. Bij zeer kleine afmetingen zijn het gebruik van montagegereedschap, van manipulatoren en microscopen en, verdergaand, volledige mechanische montage veelal onvermijdelijk omdat de onderdelen niet op andere wijze te hanteren en met de vereiste nauwkeurigheid te monteren zijn. Dit laatste speelt bijvoorbeeld bij de produktie van elektronische componenten, zoals integrated circuits.
Materialen.
Kleine afmetingen laten toepassing van bijzondere, in de zin van op zichzelf kostbare, materialen toe, omdat slechts geringe hoeveelheden nodig zijn. Toepassing vindt plaats omdat de bijzondere materiaaleigenschappen voor de gevraagde functie nodig zijn, zoals grote hardheid, corrosievastheid, het niet toxisch zijn in contact met levend weefsel, bestandheid tegen hitte, constantheid van mechanische of elektrische eigenschappen, bijzondere elektrische, magnetische of optische eigenschappen. Voorbeelden zijn: edele metalen, edelstenen en ‘halfedelstenen’, keramische materialen, magneten, zeer zuivere metalen en kristallen, speciale legeringen, optische glassoorten, kwarts. In het bijzonder bij onderdelen die één of enkele zeer kleine afmetingen vertonen, zoals dunne draden met een diameter van 10...50 μm, dunne lagen met een dikte van 5-10 μm, folien en dunne lagen met een dikte van 1...10 μm, meskanten en lagerpuntjes met afrondingsstralen van 0,1...10 μm, smalle groeven en spleten, zijn storingen die bij grotere afmetingen geen rol spelen al gauw rampzalig. Belangrijk zijn vooral corrosie (al bij een corrosiediepte van enkele μm) en vervuiling en stof: zorgvuldige reiniging van onderdelen, montage in stofarme ruimten (clean rooms), stofdichte instrumenthuizen, zijn in vele gevallen onontkoombare consequenties.
Nauwkeurigheid.
Het fijnmechanische produkt moet robuust genoeg zijn om eventuele trillingen en schokken bijv. bij vallen en gooien te kunnen overleven. Het moet ook redelijk bestand zijn tegen variatie van allerlei omgevingsparameters die het bij dat transport kan ontmoeten zoals extreme temperaturen, vochtigheid, agressieve stoffen in de atmosfeer, tropencondities. Voor grote groepen produkten bestaan op dat punt standaardspecificaties met nauwkeurig omschreven testprocedures.
Het goed transportabel zijn voert tot gebruik op plaatsen waar reparatie- of servicemogelijkheden niet aanwezig zijn: dit voert tot de eis van grote betrouwbaarheid. Het karakter van informatieomzetter, met de eisen die dan aan de nauwkeurigheid van de functie worden gesteld, maken dat via ontwerp en constructie maatregelen moeten worden genomen om te bereiken dat variatie van omgevingsinvloeden zoals temperatuur, luchtdruk, vochtigheid, daartoe ook te rekenen netspanning e.d., niet aanleiding geven tot fouten, althans niet fouten die bepaalde tolerantiegrenzen overschrijden. In het algemeen bestaat er een verband tussen de nauwkeurigheid waarmee een werktuig zijn functie vervult en de nauwkeurigheid waarmee de essentiële constructie-elementen, waaruit het is opgebouwd, zijn vervaardigd. Bijvoorbeeld: de onregelmatigheid in de gang van een mechanisch horloge zal kleiner zijn naarmate de tandwielen en de delen van het echappement beter gecentreerd en gebalanceerd zijn; de schriftkwaliteit van een schrijfmachine is beter naarmate de speling in de lagering en geleiding van de hamers kleiner is.
Het bereiken van een bepaalde afmetingsnauwkeurigheid wordt lastiger resp. duurder naarmate de afmetingen zelf kleiner worden. Een tolerantie van 0,1 mm bij een as met een diameter van 100 mm (dus een verhouding 1:1000) is geen overdreven eis. Een tolerantie van 1 μm bij een asje met een diameter van 1 mm, ook 1: 1000, is echter alleen met veel voorzorgen te realiseren; een met het eerste voorbeeld vergelijkbare eis zou een tolerantie van 30 μm zijn. Wanneer in dergelijke probleemgevallen bijzondere bewerkingsmethoden geen uitkomst brengen, moeten hetzij bij de produktie hetzij bij het ontwerp andere wegen worden ingeslagen om de gewenste functienauwkeurigheid te bereiken.
Mogelijkheden om dat doel te bereiken bij de produktie zijn het gebruik van montagemallen en het justeren van instelbaar gemaakte onderdelen; zelfs eenvoudige bewerkingen als bijbuigen en bijvijlen resp. -schuren kunnen tot een standaardprocedure behoren. Sommige afregelmiddelen worden ook voor de gebruiker toegankelijk gelaten zoals nulstellers bij meetinstrumenten, balanceergewichtjes bij weegtoestellen, de gangregelaar bij uurwerken enz. teneinde na verloop van een zekere gebruikstijd te kunnen najusteren.
Bij serie- en massafabricage kunnen afregelprocedures mede geautomatiseerd worden. Als het, zoals bij veel meettoestellen, gaat om functiefouten die niet groter dan enkele malen 0,1% of zelfs niet groter dan een fractie van 0,1% mogen zijn, dan zijn zorgvuldige afregelprocedures meestal onvermijdelijk; het is als regel uitgesloten dat de onderdelen van een dergelijk toestel met zulke nauwe toleranties worden gemaakt dat de gewenste eindnauwkeurigheid vervolgens met de montage alleen bereikt zou kunnen worden. Het hier gezegde is natuurlijk vooral van toepassing bij professionele apparatuur.
Door het in acht nemen van bepaalde principes bij het ontwerp van een werktuig (en bij het uitwerken daarvan: de constructie) is het dikwijls mogelijk te ontkomen aan de eis van nauwe toleranties voor de afmetingen van constructie-elementen. De primaire oorzaken van fouten (onnauwkeurigheden in de functie) van een werktuig met bewegende delen zijn speling en wrijving, nader te omschrijven als: onzekerheid in positie en onzekerheid ten aanzien van krachten die in het spel zijn. In gevallen waarbij de statische positie van belang is zoals bijv. in optische toestellen is instabiliteit een primaire oorzaak van fouten.
De ontwerpprincipes zijn, aanvankelijk vooral voor experimentele opstellingen, als ‘kinematical design’ ontwikkeld door J.C. Maxwell, Lord Kelvin en A.F.C. Pollard. Daarbij wordt consequent uitgegaan van eenvoudige meetkundige basisstellingen: de positie van een rechte lijn is bepaald door twee punten, de positie van een plat vlak en van een gegeven boloppervlak door drie punten, de positie van een lichaam (zes vrijheidsgraden) door zes punten. Elk extra contactpunt met de vaste wereld eist òf een uiterste nauwkeurigheid òf heeft bij gedwongen contact vervorming van en inwendige spanning in onderdelen ten gevolge. Dwingt men het contact niet op, maar rekent men er wel op, dan ontstaat een onzekerheid in positie zoals bij stoelen en tafels met vier poten die wiebelen: een statief met drie poten wiebelt nooit.
Men moet dus voorkomen dat een positie ‘overbepaald’ is. Bij het afleiden van constructie-regels voor ‘kinematical design’ gaat men eigenlijk uit van hypothetische lichamen met oneindig grote stijfheid en hardheid. Bij fijnmechanische constructies waar vergeleken met de toelaatbare krachten de werkelijke krachten meestal klein zijn is dit een realistische hypothese. De principes van ‘kinematical design’ zijn van groot nut niet alleen bij het ontwerpen van fixaties voor onderdelen (bijv. van glas, kwarts, bros materiaal) maar ook bij het ontwerp van geleidingen en aandrijvingen die vrij van speling en dode gang moeten zijn.
Wanneer een werktuig het karakter van informatie-omzetter heeft, waarbij dus nauwkeurigheidseisen voor de functie gelden ofwel toleranties voor de fouten, dan moet er rekening mee worden gehouden dat veranderingen van omgevingsparameters, zoals eerder werd opgemerkt, oorzaak kunnen zijn van verandering van de fouten die zijn geconstateerd bij bepaalde waarden van die omgevingsparameters zoals temperatuur enz., ‘geconstateerd onder referentiecondities’. De invloed van zulke omgevingsgrootheden zoals de temperatuurinvloed kan worden uitgedrukt als een invloedscoëfficiënt, bijv.: 1% per 10°C; meestal worden ook hiervoor toleranties vastgesteld. Om aan deze nauwkeurigheidseisen van de tweede soort te voldoen moeten doorgaans bij het ontwerp reeds bepaalde maatregelen worden genomen zoals keuze van bijzondere materialen, het toevoegen van een compensatiemechanisme of het aanbrengen van een afscherming. Als regel bevatten de ingangssignalen bij informatie-omzetters verschillende frequenties en bestaat de wens dat deze signalen zoveel mogelijk onvervormd en gelijk vertraagd moeten worden doorgeleid en omgezet. Dit voert tot het formuleren van eisen voor het dynamisch gedrag, beschreven als (snelle) responsie, (grote) bandbreedte, of (kleine) insteltijd. Gunstige eigenschappen worden in het algemeen verkregen als een hoge eigenfrequentie, met voldoende demping, wordt gerealiseerd. In vele gevallen, zoals bij meetopnemers, voert verkleining van afmetingen naar het doel.
Aan eisen van dynamisch gedrag en ook aan andere eisen bijv. van compactheid kan vaak gemakkelijker en goedkoper worden voldaan door mechanische componenten en ketens te vervangen door elektronische componenten en ketens. Dit betekent echter geenzins dat alle taken van de fijnmechanische techniek op den duur zullen worden overgenomen door de elektronica.
Zolang voor de omzetting van signalen (informatie) een laag energieniveau voldoende is kunnen elektronische componenten met succes deze taak vervullen. Zodra echter aan de uitgangszijde een hoog energieniveau noodzakelijk is, bijv. om een mechanisch resultaat te leveren, zijn elektromechanische omzetters nodig. Wel moet worden opgemerkt dat voor een visuele output vaak met een laag energieniveau kan worden volstaan. Evenals de elektronische componenten zijn ook de elektro-optische elementen produkten van fijn mechanische techniek, alsook de hulpmiddelen die bij de produktie nodig zijn. De mogelijkheden van elektronische oplossingen vormen een belangrijk aandachtsgebied voor allen die zich met de fijnmechanische techniek bezig houden. Hoewel vele landen reeds lange tijd een fijnmechanische traditie kennen en belangrijke bedrijven herbergen wordt de fijnmechanische techniek niet overal als een afzonderlijk vakgebied beschouwd en heeft men vaak ook niet een naam waarmee het gebied wordt aangeduid.