/Voorpagina /Nieuws /Mensen /Achtergrond /Academie /Onderzoek /Opinie /Reportage /Bestuur /Cultuur /Studentenleven /Ruis /Harmpje /Colofon

/Vacatures /Mensa /Oude cursors /pdf formaat /Faculteits Berichten /Zoeken /TUE

jaargang 42, 30 september 1999 Onderzoek

Op zoek naar het optimale compromis Proefontwerpen/Han Konings Slechts zelden vormt een proefontwerp het eindresultaat van een promotie-onderzoek. In de maand september vonden bij de faculteit Werktuigbouwkunde echter twee promoties plaats waarbij uiteindelijk een prototype te bewonderen was. De tweeling Hans en Marc Vermeulen (28) ontwierpen, constru-eerden en testten respectievelijk een diamantdraaibank en een driedimensionale meetmachine. De eerste stelling behorende bij het proefontwerp van Marc Vermeulen luidt: ëDe ontwikkeling en validatie van een prototype is essentieel om de ware ontwerpproblematiek van een (precisie-)machine te leren kennen. Enkel een theoretische benadering op basis van modelvorming is niet toereikend.í In wezen geeft deze stelling al direct weer waar het de beide broers de aflopen tien jaar aan de Technische Universiteit Eindhoven om te doen was: zij wilden kijken of hetgeen zij bedacht hadden, in de praktijk ook klopte. Aan de Eindhovense universiteit kent de tweeling al een decennium lang een gelijkopgaand studiepatroon. Samen begonnen ze in 1989 aan de opleiding werktuigbouwkunde, ze kozen hierna beiden voor de post-doctorale opleiding mechatronisch ontwerper bij het Stan Ackermans Instituut, waar ze meer inzicht verwierven in elektronica en optica. Hun beider promotie-onderzoeken verrichtten zij bij de sectie Precision Engineering van de faculteit Werktuigbouwkunde. Hans werkte aan het ontwerp en de realisatie van een precisie diamantdraaibank en Marc realiseerde een prototype van een driedimensionale meetmachine met hoge nauwkeurigheid. Vreemd is het dan ook niet om te horen dat ze nu allebei in dienst zijn bij het Centrum voor Fabricage Technologie van Philips. Keuzes Al tijdens de eerste fase van hun studie werkten ze aan de conceptvorming van de machines die ze later ook daadwerkelijk realiseerden en testten. Volgens Hans is ontwerpen een voortdurend proces van keuzes maken. In zijn proefschrift noemt hij het ë de mooiste grijstint vinden uit de waaier van alternatievení. ëEr is namelijk niet ÈÈn optimum dat voor alle deelfacetten optimaal is. Zo heeft de stijfheid van een constructie gevolgen voor de demping, en als je dat aspect gaat aanpassen in je ontwerp heeft dat omgekeerd weer consequenties voor de stijfheid. En vanzelfsprekend moet je ook op het financiÎle vlak voortdurend compromissen sluiten. Wanneer is het nog rendabel om iets door te ontwikkelen. Want die kosten worden pas terugverdiend als het product in grote aantallen in productie genomen wordt.í Voor ontwikkeling van zijn diamantdraaibank hoefde Hans met die laatste factor niet zoveel rekening te houden. Dit, omdat die binnen de TUE vervaardigd werd en bedoeld is voor intern gebruik bij de Gemeenschappelijke Technische Dienst van het Faciltair Bedrijf. Daar wilde men uitbreiding van de capaciteit voor fijnverspaning (het draaien van metalen en andere harde stoffen) en daarbij wenste men de nauwkeurigheid te verleggen van een micrometer naar het submicrometer-gebied. Dat zorgde ervoor dat Hans uitgebreid kon experimenteren met het keramische materiaal dat bij zijn ontwerp een cruciale rol speelt. De bovenbouw van de draaibank is opgebouwd uit zoín 14.000 keramische plaatjes, die in lagen op elkaar gelijmd zijn. Dit verleent de constructie een optimale balans in stijfheid en gewicht. De keramische variant weegt slechts 85 kilo, terwijl een constructie uit staal zoín 250 kilo zou wegen. Hierdoor wordt in de machine minder warmte opgewekt, hetgeen de nauwkeurigheid zeer ten goede komt, en er treden minde r ongunstige effecten op bij het versnellen of het vertragen van de machine. Ook de eigen frequentie van de keramische constructie - het punt waarop een constructie gaat trillen en zodoende onnauwkeurigheden met zich meebrengt - ligt veel hoger dan bijvoorbeeld bij een stalen constructie. Ook zijn er in zowel het ontwerp van Hans als dat van Marc een aantal constructieprincipes toegepast en gecombineerd die afkomstig zijn uit ëDes Duivels Prentenboekí van emeritus hoogleraar Wim van der Hoek. Dit boek bevat leervoorbeelden die onder meer aangeven hoe men om moet gaan met vrijheidsgraden (het vastleggen van translaties en rotaties) en met lichtgewicht en stijf construeren. Overigens is het niet zo dat er geen draaibanken bestaan die ook met een hele grote nauwkeurigheid werken, maar volgens Hans zijn dat machines die veelal gericht zijn op het vervaardigen van een bepaald product. Omdat de draaibank van Hans gebruikt zal gaan worden in een universitaire omgeving, moet de toepasbaarheid van zijn machine universeler zijn. De ene keer zal er een lens op gemaakt worden, dan weer een spiegel of een onderdeel voor een luchtlager. Factor tien Ook bij de meetmachine van Marc draait het bij zijn ontwerp om het elimineren van zaken die meet-onnauwkeurigheden veroorzaken. Daarbij is met name de opbouw van de machine en de materiaalkeuze van grote betekenis. Zo wijzen de meetsystemen in de machine van Marc directer naar het te meten object dan bij bestaande machines het geval is. Dit zorgt al direct voor een hogere nauwkeurigheid. Door voor aluminium te kiezen is zijn machine ook aanzienlijk minder gevoelig voor thermische invloeden. Daarnaast maakt hij gebruik van holle structuren, Marc noemt ze zelf ëgesloten dození, die hem een optimale lichte en stijve constructie opleveren. Met al deze toepassingen heeft Marc de foutgevoeligheid binnen zijn meetmachine met een factor tien teruggedrongen. Door toepassing van specifieke ontwerpprincipes is de behoefte aan kalibratie (het ijken van de machine) en softwarecompensatie aanzienlijk gereduceerd. Voor de correctie van geometrische en thermische afwijkingen moet het machinegedrag wel reproduceerbaar zijn. Voor Marc stond het al snel vast dat hij na zijn afstuderen ook daadwerkelijk verder zou gaan met het bouwen van een prototype van zijn meetmachine. Daarom werd bij zijn onderzoek ook al snel een partner gevonden in het Nederlands Meet Instituut. Het apparaat zal zeer waarschijnlijk nog verder ontwikkeld worden en heeft grote potentie om uiteindelijk op de markt gebracht te worden. Hans vervaardigde zijn draaibank in opdracht van de Gemeenschappelijke Technische Dienst (GTD) en ontving daarnaast nog financiÎle ondersteuning van het Stan Ackermans Instituut. Ook voor dit ontwerp hebben al een aantal fabrikanten interesse getoond. Beiden zijn zeer te spreken over de begeleiding die zij de afgelopen vier jaar ontvangen hebben. Vanuit de GTD konden zij putten uit een rijke bron van vakmanschap, waarbij over en weer in detail over de ontwerpen gesproken werd. De sectie Precision Engineering, en dan met name hun begeleiders Nick Rosielle en Eef Reker, waren onmisbaar in het rijpingsproces, dat uiteindelijk resulteerde in twee volwaardige prototypes. En omdat zij als broers en collegaís bijna dagelijks met elkaar optrokken, gingen de afgelopen jaren ook veel uren op aan onderling praten, schetsen en discussiÎren over de proefontwerpen. Tijdens Ën buiten werktijd. Beiden zijn nu werkzaam bij Philips. Hans is begonnen met weer een vierjarig project, betreffende apparatuur die gebruikt wordt bij de fabricage van halfgeleiders. Marc opteert als mechatronisch ontwerper meer voor projecten met een kortere looptijd. /.