Erik Manders en Marc Vermeulen nemen een leidende rol op zich in de training“Design Principles for Precision Engineering”(DPPE). Het duo neemt het stokje over van Huub Janssen, die zeven jaar lang het gezicht van de opleiding was. Deel twee van een tweedelige serie: training, trends en trainers.
Als het gaat om kennisdeling binnen de regio Eindhoven, geldt de opleiding“Design Principles for Precision Engineering” (DPPE) als een van de kroonjuwelen. De opleiding is in de jaren tachtig ontstaan binnen het Philips Center for Manufacturing Technology (CFT), waar de gerenommeerde professor Wim van der Hoek de basis legde met zijn constructieprincipes. Figuren als Rien Koster, Piet van Rens, Herman Soemers, Nick Rosielle, Dannis Brouwer en Hans Vermeulen bouwden erop voort.
De huidige DPPE-opleiding, die wordt aangeboden door Mechatronics Academy (MA) via het High Tech Institute, wordt ondersteund door meerdere experts. De hoofdrolspelers onder hen hebben de speciale taak om de trends in de industrie in de gaten te houden. “Onze hoofdrolspelers signaleren trends, nieuwe onderwerpen en best practices in precisietechnologie”, zegt Adrian Rankers, partner bij Mechatronics Academy en verantwoordelijk voor de DPPE-training.
Gevraagd naar zijn ‘vingerafdrukken’ op de DPPE-opleiding, verwijst Janssen naar zijn grote inspirator, Wim van der Hoek. “Ik ben geen docent en ook geen professor met lange verhalen. Ik hou ervan om een casus neer te leggen, er samen aan te werken en er dan over te discussiëren. Met Van der Hoek zaten we rond een groot wit vel papier en dan werden de problemen op tafel gelegd.”
Virtueel spelen
Janssen zegt dat hij als hoofdrolspeler de DPPE-training vorm kon geven. Hij koos ervoor om deelnemers meer praktijkopdrachten te geven en die casussen in de klas te bespreken. Rankers: “,,Meteen vanaf de eerste ochtend. Nadat we het concept virtual play hebben uitgelegd, vragen we de deelnemers ermee aan de slag te gaan.” Janssen: “Iedereen denkt na onze uitleg: Ik heb het door. Maar als ze de eerste schetsen op papier zetten, blijkt het nog niet zo eenvoudig. Daar gaat het om: want als ze zelf gaan rekenen, blijft het echt hangen.”
Op de laatste dag van de opleiding krijgen de deelnemers de opdracht om in groepjes van vier een optische microscoop te ontwerpen. Janssen: “Ze krijgen de specificaties: de positioneertafel met een slag van enkele millimeters, een specifieke resolutie, stabiliteit binnen een tiende van een micrometer in een minuut, etc. Alles wat in dit geval aan de orde komt, is in de dagen ervoor al besproken: plasticiteit, wrijving, thermisch centrum en meer.”
Vermeulen: “Het leuke is dat mensen moeten samenwerken, anders redden ze het niet.”
Janssen: “We schuiven vier tafels bij elkaar en ze moeten echt met z’n vieren als team werken. Dan zie je sommige mensen grijpen naar superstabiele Zerodur of elektromagnetische geleiding of een luchtlager, en iemand anders zegt: ‘Denk ook aan het kostenaspect.'”
'With Wim van der Hoek, we would all sit around a large white sheet of paper, and then the problems would be laid on the table.''
Niet gemakkelijk
Deelnemers ervaren de moeilijkheidsgraad heel verschillend, ongeacht hun opleidingsachtergrond, merkt Janssen op: “Het hangt af van hun voorkennis, maar het is voor iedereen een uitdaging. Mensen zijn bijna altijd hoog opgeleid, maar als ze met een ontwerp moeten komen, weten ze vaak niet of ze het van links of rechts moeten benaderen.”
Hij gelooft echter dat het geen raketwetenschap is. “Het is niet ingewikkeld. Het gaat om berekeningen die je in vijf minuten op een bierviltje zou moeten kunnen doen.”
Alle vier zijn ze het erover eens dat het gaat om gevoel krijgen voor het materiaal. “Je moet het ook kunnen kwantificeren, snel kunnen berekenen,” benadrukt Vermeulen.
Janssen biedt een eenvoudig gedachte-experiment aan: “Neem twee elastiekjes. Houd ze parallel en trek eraan. Knoop ze dan in serie en trek opnieuw. Wat is het verschil? Wat gebeurt er? Waar moet je het hardst aan trekken om ze een paar centimeter uit te rekken? Niet iedereen begrijpt dat intuïtief.”
Rankers: “Het is een combinatie van creativiteit en analytisch vermogen. Je moet iets bedenken en dan wat ruwe berekeningen maken om te zien hoe het uitpakt. Sommige mensen benaderen het analytisch, anderen kunnen fantastisch construeren. Ze weten misschien niet precies waarom het werkt, maar ze hebben er een goed gevoel voor.”
Rekentools
Creativiteit en ontwerpintuïtie kunnen niet worden vervangen door rekentools, daar zijn ze het allemaal over eens. “Je kunt een computer de berekeningen laten doen,” zegt Janssen, “maar dan moet je het nog steeds beoordelen. Wat als het niet klopt? Er zijn duizenden parameters die je kunt aanpassen. Het gaat om gevoel voor constructie, weten waar de pijnpunten zitten. Daar heb je geen rekenprogramma voor nodig.”
''For every design question, you must go all the way back to the beginning, keep your feet on the ground, and start simple.''
Manders: “We praten over het spreekwoordelijke bierviltje omdat je in een paar minuten een eerste schets of berekening wilt maken. Als je een computer laat rekenen, ben je dagen bezig. Het bouwen van een eerste model kost veel tijd. Maar een goede constructeur kan die berekening in een paar minuten op papier zetten. Als je daarna een uur bezig bent, heb je een goed gevoel welke kant het op gaat. Ik denk dat dat de kern is van de cursus constructieprincipe: eenvoudige berekeningen, niet te ingewikkeld, een richting kiezen en kijken waar het heen gaat.”
Wit vel papier
Manders merkt op dat zeer analytische mensen vaak bang zijn om de eerste regels op een leeg vel papier te zetten. Om met een concept te beginnen. “Vaak zijn ze zo gefocust op de details dat ze meteen vastlopen. Creatieven beginnen te tekenen en zien wel waar het heen gaat.”
Voor Manders is training een manier om verbonden te blijven met de bouwsector. “In mijn carrière heb ik me uitgebreid naar meer gebieden, ook in de richting van mechatronica. Maar mijn ankerpunt is fijnmechanica. Door opleidingen te volgen, kan ik mijn kennis verdiepen en mensen vertellen over de basis. Het scherpt mijzelf ook. Constructieprincipes op net iets andere manieren uitleggen helpt me in mijn coachende baan.”
Tijdens de training leert hij vaak nieuwe dingen. “Dan krijg ik vragen die me echt aan het denken zetten. Als het echt moeilijk is, kom ik er buiten de cursus op terug. Dan puzzel ik het thuis uit en maak ik een back-up dia voor de volgende keer.”
Vermeulen zegt dat hij veel voldoening haalt uit het opleiden van een nieuwe generatie technici. “Dat geeft me energie. Voor de huidige groei in hightech is het ook nodig om kennis te delen. Dat geldt voor ASML, maar ook voor VDL en andere toeleveranciers. Als we onze kennis niet doorgeven, lopen we allemaal tegen een muur.”
''We could emphasize considering the costs of production methods more.''
Tevredenheid
Janssen merkt op dat een zekere vooringenomenheid of zelfgenoegzaamheid vaak voorkomt bij ontwerpers. “Als er veel ASML-deelnemers in de klas zitten, halen ze meteen een magnetisch lager tevoorschijn als we vragen om wrijvingsloze beweging. Maar in sommige gevallen volstaan een luchtlager of twee rollen. Ik overdrijf, maar ontwerpers hebben soms een vooroordeel vanwege hun eigen ervaring of werkomgeving. Bij elke ontwerpvraag moeten ze echt terug naar de basis, met de voeten op de grond, en eenvoudig beginnen.”
Vermeulen: “De eenvoudigste oplossing is meestal de beste. Veel ontwerpers zijn niet zo opgeleid. Ik zie vaak kopieergedrag. Maar de ontwerpkeuze die ze hun buurman zien maken, is niet noodzakelijk de beste oplossing voor hun eigen probleem. Je kunt prima een stalen plaat gebruiken in plaats van een complexe bladveer. Het werkt beide kanten op, maar als je voor de dure optie kiest, kun je daar maar beter een goede reden voor hebben.”
Kwart
“Het is altijd leuk om te zien hoe Marc begint”, zegt Rankers over Vermeulens aanpak in de training. “Als hij het over luchtlagers heeft, vraagt hij de deelnemers of ze die gebruiken, wat hun grootste uitdaging is, waar ze tegen problemen aanlopen. In een kwartiertje verdiept hij zich in het onderwerp en weet hij wat hen bekend voorkomt. Wie weet veel, wie weet niets of wie gaat er binnenkort mee werken in een project.”
Vermeulen: “In mijn voorbeschouwing neem ik het hele materiaal door zonder er diep in te duiken. Dat proces geeft me energie. Eigenlijk is de hele klas gemotiveerd, maar de uitdaging is om ze er in het begin echt bij te betrekken. Je kent elkaar nog niet. Maar ik wil ze als het ware kunnen lezen, om ze erbij te betrekken. Ze moeten gretig zijn, op het puntje van hun stoel zitten.”
Het gaat dus niet om de dia’s, benadrukt Vermeulen nogmaals. “Het gaat erom dat deelnemers met hun eigen vragen komen. Ze hebben allemaal bepaalde dingen in hun hoofd en vragen zich af hoe ze dat voor elkaar kunnen krijgen.” Dat is de reden voor de uitgebreide vragenronde aan het begin. “Ik vraag naar de verschillende thema’s die ze tegenkomen. Vervolgens gebruik ik dat als raamwerk. Als er een slide over een door hen genoemd onderwerp komt, ga ik daar een beetje op in. Dat maakt het voor hen veel gemakkelijker om te volgen. Ze blijven gefocust.”
Basistraining
DPPE is een basistraining. Manders en Vermeulen verwachten geen grote veranderingen in de behandelde stof, al zien ze wel mogelijkheden om de inhoud actueler te maken.
Deelnemers moeten echter nog steeds fundamentele kennis en principes leren. Janssen over stijfheid, speling en wrijving – de onderwerpen die hij onderwijst: “Ik besteed daar anderhalve dag aan, maar het zijn drie cruciale dingen. Als je deze niet begrijpt, zul je nooit een goede ontwerper worden. Dat is de basis.” Concepten als passieve demping komen even ter sprake, maar dat is een complex onderwerp. Geen wonder dat Mechatronics Academy daar een aparte driedaagse training voor aanbiedt.
Het onderwerp “vrijheidsgraden” dat Manders onderwijst is een ander fundamenteel element. “Dat kost gewoon wat tijd. Je moet er doorheen”, zegt Manders.
Vermeulen: “Dan komt de vertaling naar hardware. Als deelnemers eenmaal bekend zijn met vonkerosie, moeten ze de creativiteit hebben om in sommige gevallen naar goedkopere oplossingen te grijpen. We zouden meer nadruk kunnen leggen op het kritisch beoordelen van de kosten van de productiemethode. Als je met vonkerosie in één systeem een mate van vrijheid krijgt, moet je de volgende keer niet automatisch naar die dure productiemethode grijpen. We zouden ons meer kunnen verdiepen in die vertaling naar hardware. Ook daar is het goed om eenvoud na te streven.”
''The core is simple calculations, not too complicated, choose a direction and see where it leads.''
Overgedetermineerd
Wim van der Hoek keek trouwens ook kritisch naar de kosten. Rankers: “Een mooie uitspraak van hem was dat veel kosten in de assemblage worden veroorzaakt doordat dingen te gedetermineerd zijn.”
De termen “bepaald” of “overdetermineerd” in precisieconstructies verwijzen hier in wezen naar: Een star lichaam heeft zes vrijheidsgraden (3 translaties en 3 rotaties) die zijn positie en oriëntatie volledig bepalen. Als je dat object in één richting wilt bewegen met een actuator, moet je de andere vrijheidsgraden vastzetten met een rollager, luchtlager of bladveerconfiguratie.
Als je als ontwerper een configuratie van beperkingen kiest die meer dan vijf vrijheidsgraden vastlegt, kunnen de beperkingen elkaar verstoren. Rankers: “Dat heet statisch overdetermineerd, en je kunt geluk hebben als het werkt, zolang alles maar netjes uitgelijnd is. De mensen die dat doen hebben ‘gouden handen’, zoals Wim van der Hoek het uitdrukte. Maar de nette uitlijning kan niet veranderen, zoals bij thermische uitzettingsverschillen.” Vooral de gradiënten en verschillen in uitzetting van verschillende componenten spelen een grote rol.
Rankers: “Het is natuurlijk onmogelijk om alles perfect op elkaar af te stemmen. Het verandert ook na verloop van tijd tijdens het gebruik. Dus ontstaan er interne krachten binnen het object dat je wilde vasthouden of positioneren door het ‘vechten’ tussen de beperkingen. Als dat object een delicaat stukje optica is dat niet mag vervormen, heb je een groot probleem. Dat betekent dat je overdeterminatie moet vermijden in ultraprecieze machines.”
Vermeulen: “Dus als je het zo ontwerpt dat het beter gedetermineerd is, is het gemakkelijker te monteren en dat geeft je een brug naar de kosten.”
Rankers merkt ook op dat het kostenaspect meer aandacht moet krijgen dan voorheen. Hij denkt dat gastsprekers de training kunnen verrijken met praktijkvoorbeelden. Voorbeelden laten zien van betaalbare en dure versies. Vermeulen geeft meteen een voorbeeld waarbij je een lens moet geleiden. “Als je een normale lineaire geleider maakt, zakt de lens een beetje op de nanometerschaal. Dat kun je compenseren met een tweede geleider, maar dan is de oplossing misschien wel twee keer zo duur en twee keer zo complex. Is dat echt nodig? Dus als ontwerper kun je de optica-ingenieur uitdagen: ‘Je wilt het perfect maken, maar dat kost veel geld. We moeten op deze dingen letten.'”
Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech-redacteur van Bits&Chips.
De training 'Ontwerpprincipes voor precisietechniek' wordt twee keer per jaar gehouden
Blijf op de hoogte
Ontvang onze maandelijkse updates
