„Berechnungen, die Sie in fünf Minuten auf einem Bierdeckel durchführen können sollten.“

Veröffentlicht am: 13 März 2025

Experte:

ir. Erik Manders

Trainer

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Erik Manders und Marc Vermeulen übernehmen eine führende Rolle in der Schulung„Design Principles for Precision Engineering“ (DPPE). Das Duo tritt die Nachfolge von Huub Janssen an, der sieben Jahre lang das Gesicht der Schulung war. Teil zwei einer zweiteiligen Serie: Ausbildung, Trends und Ausbilder.

Wenn es um den Wissensaustausch in der Region Eindhoven geht, gilt die Schulung„Design Principles for Precision Engineering“ (DPPE) als eines der Kronjuwelen. Der Kurs hat seinen Ursprung in den 1980er Jahren im Philips Center for Manufacturing Technology (CFT), wo der renommierte Professor Wim van der Hoek mit seinen Konstruktionsprinzipien den Grundstein legte. Persönlichkeiten wie Rien Koster, Piet van Rens, Herman Soemers, Nick Rosielle, Dannis Brouwer und Hans Vermeulen bauten darauf auf.

Der aktuelle DPPE-Kurs, der von der Mechatronics Academy (MA) über das High Tech Institute angeboten wird, wird von mehreren Experten unterstützt. Die Leitfiguren unter ihnen haben die besondere Aufgabe, die Branchentrends im Auge zu behalten. „Unsere Leitfiguren signalisieren Trends, neue Themen und bewährte Praktiken in der Präzisionstechnologie“, sagt Adrian Rankers, ein für die DPPE-Schulung verantwortlicher Partner bei Mechatronics Academy.

Auf die Frage nach seinen ‚Fingerabdrücken‘ auf der DPPE-Ausbildung verweist Janssen auf seine große Inspiration, Wim van der Hoek. „Ich bin weder ein Dozent noch ein Professor mit langen Geschichten. Ich lege gerne einen Fall dar, arbeite gemeinsam daran und diskutiere ihn dann. Mit Van der Hoek saßen wir um ein großes weißes Blatt Papier herum und legten dann die Probleme auf den Tisch.“

Virtuelles Spiel

Janssen sagt, dass er als Leitfigur in der Lage war, die DPPE-Schulung zu gestalten. Er entschied sich dafür, den Teilnehmern mehr praktische Aufgaben zu geben und diese Fälle im Unterricht zu diskutieren. Rankers: „Gleich am ersten Morgen. Nachdem wir das Konzept des virtuellen Spiels erklärt haben, bitten wir die Teilnehmer, damit zu arbeiten.“ Janssen: „Jeder denkt nach unserer Erklärung: Ich habe es verstanden. Aber wenn sie die ersten Skizzen zu Papier bringen, stellt sich heraus, dass es nicht so einfach ist. Das ist der Punkt: Denn wenn sie die Berechnungen selbst durchführen, bleibt es wirklich hängen.“

Am letzten Tag der Schulung haben die Teilnehmer die Aufgabe, in Vierergruppen ein optisches Mikroskop zu entwerfen. Janssen: „Sie erhalten die Spezifikationen: den Positioniertisch mit einem Hub von mehreren Millimetern, eine bestimmte Auflösung, Stabilität innerhalb eines Zehntelmikrometers in einer Minute, usw. Alles, was in diesem Fall behandelt wird, haben wir in den Tagen zuvor besprochen: Plastizität, Reibung, thermisches Zentrum und mehr.“

Vermeulen: „Das Schöne daran ist, dass die Leute zusammenarbeiten müssen , sonst schaffen sie es nicht.“

Janssen: „Wir schieben vier Tische zusammen, und sie müssen wirklich alle vier als Team arbeiten. Dann sehen Sie, wie einige Leute nach superstabilem Zerodur oder elektromagnetischer Führung oder einem Luftlager greifen, und jemand anderes sagt: ‚Bedenken Sie auch den Kostenaspekt.'“

Nicht einfach

Die Teilnehmer empfinden den Schwierigkeitsgrad sehr unterschiedlich, unabhängig von ihrem Bildungshintergrund, stellt Janssen fest: „Es hängt von ihren Vorkenntnissen ab, aber es ist für alle eine Herausforderung. Die Leute sind fast immer hochgebildet, aber wenn sie ein Design entwerfen müssen, wissen sie oft nicht, ob sie es von links oder von rechts angehen sollen.“

Er glaubt jedoch, dass es keine Raketenwissenschaft ist. „Es ist nicht komplex. Es geht um Berechnungen, die Sie in fünf Minuten auf einem Bierdeckel durchführen können sollten.“

Alle vier sind sich einig, dass es darum geht, ein Gefühl für das Material zu bekommen. „Sie sollten auch in der Lage sein, es zu quantifizieren, es schnell zu berechnen“, betont Vermeulen.

Janssen bietet ein einfaches Gedankenexperiment an: „Nehmen Sie zwei Gummibänder. Halten Sie sie parallel und ziehen Sie daran. Dann verknoten Sie sie in Reihe und ziehen erneut. Was ist der Unterschied? Was passiert? Wo müssen Sie am stärksten ziehen, um sie ein paar Zentimeter zu dehnen? Nicht jeder hat ein intuitives Gespür dafür.“

Rankers: „Es ist eine Kombination aus Kreativität und analytischen Fähigkeiten. Sie müssen sich etwas einfallen lassen und dann grobe Berechnungen anstellen, um zu sehen, wie es funktioniert. Manche Leute gehen analytisch vor, andere können wunderbar konstruieren. Sie wissen vielleicht nicht genau, warum es funktioniert, aber sie haben ein gutes Gespür dafür.“

Berechnungs-Tools

Kreativität und Design-Intuition können nicht durch Berechnungswerkzeuge ersetzt werden, da sind sich alle einig. „Man kann einen Computer die Berechnungen machen lassen“, sagt Janssen, „aber dann muss man sie immer noch bewerten. Was, wenn es nicht richtig ist? Es gibt Tausende von Parametern, die Sie verändern können. Es geht darum, ein Gespür für die Konstruktion zu haben und zu wissen, wo die Schmerzpunkte liegen. Dafür brauchen Sie kein Berechnungsprogramm.“

Manders: „Wir sprechen über den sprichwörtlichen Bierdeckel, weil Sie in wenigen Minuten eine erste Skizze oder Berechnung machen wollen. Wenn Sie einen Computer rechnen lassen, sind Sie tagelang damit beschäftigt. Der Bau eines ersten Modells dauert sehr lange. Aber ein guter Konstrukteur kann diese Berechnung in ein paar Minuten auf Papier bringen. Wenn Sie danach eine Stunde lang beschäftigt sind, haben Sie ein gutes Gefühl dafür, in welche Richtung es geht. Ich denke, das ist der Kern des Konstruktionsprinzip-Kurses: einfache Berechnungen, nicht zu kompliziert, eine Richtung wählen und sehen, wohin es geht.“

Weißes Blatt Papier

Manders stellt fest, dass sehr analytische Menschen oft Angst davor haben, die ersten Zeilen auf ein leeres Blatt Papier zu schreiben. Mit einem Konzept zu beginnen. „Oft sind sie so sehr auf die Details konzentriert, dass sie sofort stecken bleiben. Kreative fangen an zu zeichnen und sehen, wohin es führt.“

Für Manders ist die Weiterbildung eine Möglichkeit, mit dem Baugewerbe verbunden zu bleiben. „In meiner Karriere habe ich mich in weitere Bereiche hinein entwickelt, auch in Richtung Mechatronik. Aber mein Ankerpunkt ist die Feinmechanik. Indem ich mich weiterbilde, kann ich mein Wissen vertiefen und den Leuten die Grundlagen vermitteln. Das schärft auch mich. Wenn ich Konstruktionsprinzipien auf etwas andere Weise erkläre, hilft mir das bei meiner Arbeit als Coach.“

Beim Training lernt er oft neue Dinge. „Dann bekomme ich Fragen, die mich wirklich zum Nachdenken bringen. Wenn es wirklich schwierig ist, komme ich außerhalb des Kurses darauf zurück. Ich denke dann zu Hause darüber nach und bereite eine Ersatzfolie für das nächste Mal vor.

Vermeulen sagt, dass es ihm viel Befriedigung verschafft, eine neue Generation von Technikern auszubilden. „Das gibt mir Energie. Für das derzeitige Wachstum in der High-Tech-Branche ist es auch notwendig, Wissen zu teilen. Das gilt für ASML, aber auch für VDL und andere Zulieferer. Wenn wir unser Wissen nicht weitergeben, werden wir alle gegen eine Wand laufen.“

Selbstzufriedenheit

Janssen stellt fest, dass unter den Designern eine gewisse Voreingenommenheit oder Selbstgefälligkeit verbreitet ist. „Wenn viele ASML-Teilnehmer in der Klasse sind, ziehen sie sofort ein Magnetlager hervor, wenn wir nach einer reibungslosen Bewegung fragen. Aber in manchen Fällen reichen auch ein Luftlager oder zwei Rollen aus. Ich übertreibe, aber Designer sind manchmal aufgrund ihrer eigenen Erfahrung oder ihres Arbeitsumfelds voreingenommen. Bei jeder Designfrage müssen sie wirklich zu den Grundlagen zurückkehren, mit den Füßen auf dem Boden stehen und einfach anfangen.“

Vermeulen: „Die einfachste Lösung ist meist die beste. Viele Designer sind nicht dafür ausgebildet. Ich sehe oft, dass sie das Verhalten kopieren. Aber die Designwahl, die sie bei ihrem Nachbarn sehen, ist nicht unbedingt die beste Lösung für ihr eigenes Problem. Sie könnten durchaus eine Stahlplatte anstelle einer komplexen Blattfeder verwenden. Es funktioniert in beide Richtungen, aber wenn Sie sich für die teure Variante entscheiden, sollten Sie einen guten Grund haben.“

Quartal

„Es macht immer wieder Spaß zu sehen, wie Marc anfängt“, sagt Rankers über Vermeulens Ansatz bei der Schulung. „Wenn er über Luftlager spricht, fragt er die Teilnehmer, ob sie sie benutzen, was ihre größte Herausforderung ist, wo sie auf Probleme stoßen. In einer Viertelstunde erkundet er das Thema und weiß, was ihnen bekannt ist. Wer weiß viel, wer weiß nichts, oder wer wird bald in einem Projekt damit arbeiten.“

Vermeulen: „In meiner Vorschau gehe ich das gesamte Material durch, ohne tief in die Materie einzutauchen. Dieser Prozess gibt mir Energie. Eigentlich ist die ganze Klasse motiviert, aber die Herausforderung besteht darin, sie am Anfang wirklich einzubinden. Sie kennen sich noch nicht. Aber ich möchte in der Lage sein, sie sozusagen zu lesen, um sie zu beteiligen. Sie müssen begierig sein und mitfiebern.“

Es geht also nicht um die Folien, betont Vermeulen noch einmal. „Es geht darum, dass die Teilnehmer mit ihren eigenen Fragen kommen. Sie haben alle bestimmte Dinge im Kopf und fragen sich, wie sie diese umsetzen können.“ Das ist der Grund für die ausführliche Fragerunde zu Beginn. „Ich frage nach den verschiedenen Themen, auf die sie stoßen. Dann verwende ich diese als Rahmen. Wenn eine Folie zu einem Thema auftaucht, das sie erwähnt haben, gehe ich ein wenig darauf ein. Das macht es für sie viel einfacher, dem Vortrag zu folgen. Sie bleiben konzentriert.“

Grundausbildung

DPPE ist eine Grundausbildung. Manders und Vermeulen erwarten keine großen Änderungen des behandelten Materials, sehen aber Möglichkeiten, den Inhalt aktueller zu gestalten.

Dennoch müssen die Teilnehmer grundlegende Kenntnisse und Prinzipien erlernen. Janssen über Steifheit, Spiel und Reibung – die Themen, die er unterrichtet: „Ich verbringe eineinhalb Tage damit, aber das sind drei entscheidende Dinge. Wenn Sie diese nicht begreifen, werden Sie nie ein guter Designer sein. Das ist die Grundlage.“ Konzepte wie die passive Dämpfung werden kurz angesprochen, aber das ist ein komplexes Thema. Kein Wunder, dass die Mechatronik-Akademie dafür einen eigenen dreitägigen Kurs anbietet.

Das Thema „Freiheitsgrade“, das Manders unterrichtet, ist ein weiteres grundlegendes Element. „Das braucht einfach etwas Zeit. Sie müssen es durchgehen“, sagt Manders.

Vermeulen: „Dann kommt die Umsetzung in Hardware. Sobald die Teilnehmer mit der Funkenerosion vertraut sind, müssen sie die Kreativität haben, sich in manchen Fällen billigeren Lösungen zuzuwenden. Wir könnten die kritische Bewertung der Kosten der Produktionsmethode stärker betonen. Wenn Sie in einem System mit Funkenerosion einen Freiheitsgrad erreichen, sollten Sie beim nächsten Mal nicht automatisch zu dieser teuren Produktionsmethode greifen. Wir könnten uns mehr mit der Übertragung auf Hardware befassen. Es ist auch gut, dort nach Einfachheit zu streben.“

Überdeterminiert

Übrigens hat sich Wim van der Hoek auch kritisch mit den Kosten auseinandergesetzt. Rankers: „Eine großartige Aussage von ihm war, dass viele Kosten in der Montage dadurch verursacht werden, dass die Dinge überdeterminiert sind.“

Die Begriffe „determiniert“ oder „überdeterminiert“ in der Präzisionskonstruktion beziehen sich im Wesentlichen darauf: Ein starrer Körper hat sechs Freiheitsgrade (3 Translationen und 3 Rotationen), die seine Position und Ausrichtung vollständig definieren. Wenn Sie dieses Objekt mit einem Aktuator in eine Richtung bewegen möchten, müssen Sie die anderen Freiheitsgrade mit einem Rollenlager, einem Luftlager oder einer Blattfederkonfiguration fixieren.

Wenn Sie als Designer eine Konfiguration von Beschränkungen wählen, die mehr als fünf Freiheitsgrade festlegt, können sich die Beschränkungen gegenseitig behindern. Rankers: „Das nennt man statisch überdeterminiert, und Sie haben vielleicht Glück, wenn es funktioniert, solange alles sauber ausgerichtet ist. Die Leute, die das machen, haben ‚goldene Hände‘, wie Wim van der Hoek es ausdrückt. Aber die saubere Ausrichtung kann sich nicht ändern, wie bei thermischen Ausdehnungsunterschieden.“ Vor allem die Gradienten und Unterschiede in der Ausdehnung der verschiedenen Komponenten spielen eine große Rolle.

Rankers: „Natürlich ist es unmöglich, alles perfekt auszurichten. Außerdem verändert es sich im Laufe der Zeit während des Gebrauchs. So entstehen innere Kräfte innerhalb des Objekts, das Sie halten oder positionieren wollten, aufgrund des ‚Kampfes‘ zwischen den Zwängen. Wenn dieses Objekt ein empfindliches Stück Optik ist, das sich nicht verformen darf, haben Sie ein großes Problem. Das bedeutet, dass Sie eine Überbestimmung in Ultrapräzisionsmaschinen vermeiden müssen.“

Vermeulen: „Wenn Sie es also so konstruieren, dass es besser bestimmt werden kann, ist es einfacher zu montieren, und das gibt Ihnen eine Brücke zu den Kosten.“

Rankers merkt auch an, dass der Kostenaspekt mehr Aufmerksamkeit als bisher erhalten sollte. Seiner Meinung nach könnten Gastredner die Schulung mit praktischen Beispielen bereichern. Er zeigt Beispiele für günstige und teure Versionen. Vermeulen bringt sofort ein Beispiel, bei dem Sie ein Objektiv führen müssen. „Wenn Sie eine normale lineare Führung machen, sinkt die Linse ein wenig auf der Nanometerskala. Sie können das mit einer zweiten Führung kompensieren, aber dann ist die Lösung vielleicht doppelt so teuer und doppelt so komplex. Ist das wirklich notwendig? Als Designer können Sie also den Optik-Ingenieur herausfordern: „Sie wollen es perfekt machen, aber das ist mit hohen Kosten verbunden. Wir müssen auf diese Dinge achten.'“

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von Bits&Chips.