‘Sommetjes die je binnen vijf minuten op een bierviltje moet kunnen maken’

Als het om kennisdeling gaat binnen de regio Eindhoven, dan behoort de training ‘Design principles for precision engineering’ (DPPE) tot de kroonjuwelen. De cursus ontstond in de jaren tachtig binnen het Philips Centrum voor Fabricagetechniek (CFT). Daar legde de vermaarde hoogleraar Wim van der Hoek er de basis voor met zijn constructieprincipes. Rien Koster, Piet van Rens, Herman Soemers, Nick Rosielle, Dannis Brouwer en Hans Vermeulen bouwden erop voort.

De huidige DPPE-cursus die Mechatronics Academy (MA) via High Tech Institute op de markt brengt, wordt gedragen door meerdere experts. De boegbeelden onder hen hebben de speciale taak om in de gaten te houden wat er in de industrie speelt. ‘Zij signaleren trends, nieuwe topics en best practices in de precisietechnologie’, zegt Adrian Rankers, die als partner van MA verantwoordelijk is voor de DPPE-training.

Gevraagd naar ‘zijn vingerafdrukken’ op de DPPE-training verwijst voormalig boegbeeld Huub Janssen naar zijn grote inspirator Wim van der Hoek. ‘Ik ben geen zender. Geen prof met lange verhalen. Ik vind het leuk om een case neer te legen, er daarna aan te werken en dan te behandelen. Bij Van der Hoek zaten we met zijn allen om een groot wit vel papier en dan kwamen de problemen op tafel.’

Met zijn vieren

Janssen zegt dat hij als boegbeeld de DPPE-training naar zijn hand heeft kunnen zetten. Hij koos ervoor om deelnemers vaker praktische opdrachten te geven en die cases daarna klassikaal te bespreken. Rankers: ‘Gelijk de eerste ochtend al. Nadat we het begrip virtuele speling hebben uitgelegd, vragen we deelnemers om ermee aan de slag te gaan.’ Janssen: ‘Iedereen denkt na onze uitleg: ik heb het begrepen. Maar als ze de eerste schetsen op papier zetten, blijkt het niet zo simpel te zijn. Dat is de bedoeling, want als ze zelf die som maken, dan blijft het pas echt hangen.’

Op de laatste dag van de training krijgen deelnemers de opdracht om in groepen van vier een optische microscoop te ontwerpen. Janssen: ‘Ze krijgen de specificaties: de positioneertafel met een slag van tientallen millimeters, een specifieke resolutie, stabiliteit van een tiende micrometer binnen een minuut enzovoorts. Alles wat in deze case ter sprake komt, hebben ze in de dagen daarvoor gehad: plasticiteit, wrijving, thermisch centrum en meer.’

Marc Vermeulen: ‘Het leuke is dat mensen moeten samenwerken, anders redden ze het niet.’

‘We schuiven vier tafeltjes tegen elkaar aan en dan moeten ze het echt met zijn vieren doen’, vervolgt Janssen. ‘Dan zie je dat sommigen naar superstabiel Zerodur grijpen of naar een elektromagnetische geleiding of een luchtlager en dat iemand anders dan zegt: neemt het kostenaspect ook even mee.’

Janssen constateert dat een zekere vooringenomenheid of gemakzucht constructeurs niet vreemd is. ‘Als er veel cursisten van ASML in de klas zitten, dan halen die gelijk een magnetische lagering uit de kast als we vragen om een wrijvingsloze beweging. Terwijl in sommige gevallen luchtlagers of twee rollen ook voldoen. Ik chargeer, maar ontwerpers hebben soms een bias door hun eigen ervaring of werkomgeving. Bij elke ontwerpvraag moeten ze eigenlijk helemaal terug naar het begin. Voeten op de grond, simpel beginnen.’

Vermeulen: ‘De simpelste oplossing is meestal de beste. Veel ontwerpers zijn niet zo opgeleid. Ik zie zelf veel kopieergedrag. Maar de ontwerpkeuze die ze hun buurman zien maken, is niet per se de beste oplossing voor hun eigen probleem. Je kunt een bladveer helemaal uitvonken, maar ook een stukje staalplaat nemen. Het werkt allebei, maar als je voor de eerste peperdure oplossing kiest, dan moet je wel een heel goede reden hebben.’

Gevoel

Deelnemers ervaren de moeilijkheidsgraad heel verschillend, ongeacht de vooropleiding, ziet Janssen: ‘Het wisselt met hun voorkennis, maar voor iedereen is het uitdagend. Mensen zijn vrijwel altijd hoger opgeleid, maar als ze een constructie moeten bedenken, dan weten ze vaak niet of ze het links of rechts moeten benaderen.’

Toch is het geen hogere wiskunde, meent hij. ‘Het is niet complex. Het gaat om sommetjes die je binnen vijf minuten op een bierviltje moet kunnen maken.’

Het gaat om gevoel krijgen voor de materie. ‘Dat moet je ook kunnen kwantificeren, even snel kunnen uitrekenen’, onderstreept Vermeulen.

Janssen komt met een eenvoudig denkexperiment: ‘Neem twee elastiekjes. Hou ze parallel vast en trek eraan, knoop ze daarna in serie aan elkaar en trek eraan. Wat is het verschil? Wat gebeurt er? Waar moet je het hardst aan trekken om ze een paar centimeter uit te rekken? Niet iedereen heeft daar direct gevoel voor.’

Rankers: ‘Het is een combinatie van creativiteit en analytisch vermogen. Je moet iets bedenken en dan wat afschattende sommen maken om te zien hoe het ongeveer uitkomt. De een benadert het analytisch, de ander kan geweldig construeren. Die weet mogelijk niet precies waarom het werkt, maar heeft er wel een heel goed gevoel voor.’

Creativiteit en ontwerp-intuïtie zijn niet door rekengereedschappen te vervangen. ‘Je kunt een computer iets laten uitrekenen’, zegt Janssen, ‘maar daarna moet je het nog beoordelen. Wat als het niet goed is? Dan zijn er duizenden parameters waaraan je kunt draaien. Het gaat om gevoel voor construeren, weten waar de pijnpunten zitten. Daar heb je geen rekenprogramma voor nodig.’

Erik Manders: ‘Je wilt in een paar minuten een eerste schets of berekening maken. Als je een computer laat rekenen, ben je dagen bezig. Een eerste model bouwen duurt lang. Terwijl een goede constructeur het sommetje in een paar minuten op papier zet. Als je daarna een uur met elkaar bezig bent, weet je heel goed welke kant het op gaat. Dat is denk ik de kern van de constructieprincipe-cursus: simpele sommetjes, niet te ingewikkeld, een richting kiezen en zien welke kant het op gaat.’

Manders constateert dat sterk analytische mensen vaak bang zijn om die eerste lijnen op een wit vel papier te zetten. Om te beginnen met een concept. ‘Vaak zitten ze al zo in de details dat ze meteen vastlopen. De creatievelingen beginnen te tekenen en zien wel waar het naartoe gaat.’

Energie

Voor Manders zelf is trainen een manier om voeling met het constructievak te houden. ‘In mijn carrière ben ik steeds meer de breedte in gegaan, ook richting mechatronica. Maar mijn ankerpunt is de fijnmechanica. Door te trainen, kan ik me verdiepen, aan mensen vertellen wat de basis is. Zo word ik zelf ook weer scherper. Constructieprincipes steeds op een net iets andere manier uit te leggen, helpt me bij mijn coachingjob.’

Tijdens trainingen steekt hij vaak nieuwe dingen op. ‘Dan krijg ik vragen waar ik echt even over na moet denken. Als het echt moeilijk is, dan kom ik daar buiten de cursus op terug. Dan ga ik thuis puzzelen en maak ik gelijk een back-upslide die ik bij een volgende keer achter de hand heb.’

Vermeulen zegt dat hij veel voldoening haalt uit het opleiden van een nieuwe generatie technici. ‘Daar krijg ik wel energie van. Voor de huidige groei in de hightech is het ook nodig om kennis te delen. Dat geldt voor ASML, maar net zo goed voor VDL en andere toeleveranciers. Als we onze kennis niet wegleren, dan lopen we met z’n allen vast.’

‘Het is altijd leuk hoe Marc begint’, zegt Rankers over Vermeulens aanpak in de training. ‘Als hij luchtlagers behandelt, dan vraagt hij aan cursisten of zij die ook gebruiken. Wat hun grootste uitdaging is, waar ze tegenaan lopen. In een kwartiertje verkent hij het thema en dan weet hij hoeveel ervan bekend is. Wie er al veel van afweet, wie nog niks weet of wie er binnenkort mee gaat werken in een project.’

Vermeulen: ‘In mijn voorbeschouwing ga ik de hele stof langs, zonder de diepte in te gaan. Dat spel geeft me energie. In feite is zo’n hele klas gemotiveerd, maar het is wel de uitdaging om ze in het begin echt mee te krijgen. Je kent elkaar nog niet. Maar ik wil ze wel kunnen lezen, zeg maar, om ze te betrekken. Ze moeten eager zijn, op het puntje van hun stoel zitten.’

Het gaat dus niet om de slides, onderstreept Vermeulen nog maar eens. ‘Het gaat erom dat cursisten met hun eigen vraagstukken komen. Allemaal hebben ze een aantal dingen in hun hoofd en vragen ze zich af hoe ze het werkend krijgen.’ Dat is de reden van de uitgebreide rondvraag vooraf. ‘Ik vraag bij de verschillende thema’s waar ze zelf tegenaan lopen. ‘Dat gebruik ik vervolgens als kapstok. Als er even later een slide voorbijkomt over een onderwerp dat cursisten noemden, dan ga ik daar even op in. Daarmee volgen mensen het veel beter. Ze blijven bij de les.’

Basiselementen

Hoewel ze kansen zien om de stof meer up-to-date te brengen, verwachten Manders en Vermeulen geen heel grote ingrepen in de behandelde materie. DPPE is nu eenmaal een basistraining waarin deelnemers kennis moeten nemen van de fundamentele principes. Zaken als passive damping komen even ter sprake, maar dat is toch een vrij complex onderwerp. Niet voor niets heeft Mechatronics Academy daarvoor een aparte driedaagse training.

Janssen doceert de basiselementen stijfheid, speling en wrijving. ‘Daar besteed ik anderhalve dag aan; dat zijn drie cruciale zaken. Als die niet goed landen, dan word je nooit een goede constructeur. Dat is de basis.’

Ook het onderdeel ‘vrijheidsgraden’, dat Manders onderwijst, is een basiselement. ‘Dat kost gewoon even tijd. Daar moet je doorheen’, aldus Manders.

Vermeulen: ‘Daarna volgt de vertaling naar hardware. Als deelnemers bekend zijn met vonken, dan moeten ze ook de creativiteit hebben om in sommige gevallen naar goedkopere oplossingen te grijpen. Kritisch de kosten van productiemethodes overwegen zouden we wat mij betreft meer kunnen benadrukken. Als je in het ene systeem een vrijheidsgraad hebt verkregen met behulp van vonken, dan moet je de volgende keer niet automatisch naar deze dure productiemethode grijpen. Die vertaling naar hardware kunnen we wat meer uitdiepen. Ook daar is het goed om naar eenvoud te streven.’

Kostenaspect

Overigens keek ook Wim van der Hoek al kritisch naar kosten. Rankers: ‘Een mooi statement van hem was dat een heleboel kosten in de assemblage worden veroorzaakt doordat dingen overbepaald zijn.’

De begrippen ‘bepaald’ of ‘overbepaald’ in precisiecontrueren gaan in essentie over het volgende. Een star lichaam heeft in de ruimte zes vrijheidsgraden (drie translaties en drie rotaties) die de positie en oriëntatie volledig vastleggen. Stel dat je dat object in één richting wilt laten bewegen middels een aandrijving, dan moet je de andere vrijheidsgraden vastleggen met bijvoorbeeld een rollenlager, luchtlager of bladveerconfiguratie.

Kies je als ontwerper een dusdanige configuratie van beperkingen dat je méér dan vijf te onderdrukken vrijheidsgraden vastlegt, dan kunnen de constraints elkaar in de weg gaan zitten. Rankers: ‘Dat noem je statisch overbepaald en dan kun je geluk hebben dat het goed gaat, mits alles keurig uitgelijnd is. De personen die dat doen hebben ‘gouden handjes’, zoals Van der Hoek dat zei. Maar de keurig uitgelijnde situatie mag ook niet veranderen, door bijvoorbeeld een verschil in thermische uitzetting.’ Met name de gradiënten en het verschil in uitzetting van de verschillende componenten spelen daarbij een grote rol.

Rankers: ‘Het lukt je natuurlijk nooit om een en ander echt keurig uit te lijnen. Daarnaast verandert het met de tijd in het gebruik. Dus ontstaan er door de ‘ruzie’ tussen de beperkingen interne krachten in het object dat je wilde vasthouden of positioneren. Als dat object nou net een delicaat stukje optica is dat niet mag vervormen, heb je een groot probleem. Dat betekent dus dat je in ultra-precisiemachines overbepaaldheid moet voorkomen.’ Vermeulen: ‘Als je het wat beter bepaald construeert, dan is het ook makkelijker in elkaar te zetten en heb je een bruggetje naar kosten.’

Rankers constateert ook dat het kostenaspect meer aandacht mag krijgen dan voorheen. Hij denkt dat gastsprekers de training op dit punt kunnen verrijken met praktijkcases. Door voorbeelden van betaalbare en dure versies te laten zien.

Vermeulen komt meteen met een voorbeeld waarbij je een lens moet rechtgeleiden. ‘Als je een normale rechtgeleiding maakt, dan zakt de lens op nanometerniveau een beetje in. Dat kun je compenseren met een tweede rechtgeleiding, maar dan is de oplossing wellicht wel twee keer zo duur en twee keer zo complex. Is dat echt nodig? Als constructeur kun je dan de opticus challengen: ‘Jij wilt het perfect maken, maar dat komt met hoge kosten. Aan dit soort dingen moeten we wel aandacht besteden.’