Een schroefas verbindt de schroef van een schip met de motor. Nu is er een probleem. Die as moet door de huid van het schip, en liefst op zo’n manier dat het water niet naar binnen kan. Een afdichting moet dat laatste voorkomen. Deze geldt als een voorbeeld van een roterende dichting, immers de as draait rond. Nu be-staan er ook translerende: de as draait niet, maar beweegt heen en weer. Een voorbeeld hiervan zit in een schokdemper van een auto. Dit laatste onderdeel vormde het onderwerp van Kuiken’s promotie.
Drukberg
Kuiken studeerde in 1991 af als werktuigbouwkundig ingenieur. Daarna vervolgde hij zijn opleiding als aio-2. Met als onderwerp: roterende afdichtingen. Het werkingsprincipe laat zich eenvoudig schetsen. Neem bijvoorbeeld de reeds genoemde scheeps-as. Op de plek waar deze door de scheepshuid steekt, komt de afdichting. Die ziet eruit als een rubbere schijf met een gat erin. De buitenkant daarvan zit vast aan het schip. Een veer drukt de binnenkant tegen de draaiende as. Olie wordt vanaf de binnenkant tegen de afdichting geperst. Er ontstaat op deze manier een drukverschil ten opzichte van de buitenkant, het zeewater. De as wordt zo voorzien van een oliefilm. Door de draaiing en het drukverschil ontstaat een zogenaamde ‘drukberg’ in een klein gebiedje tussen metalen as en rubbere afdichting. Deze plaatselijke hoge oliedruk zorgt voor ‘lift’. De componenten blijven daardoor gescheiden. Bovendien zorgt dit kleine hogedruk-gebied dat het zeewater buiten blijft en de olie binnen. Het principe -draaiing, drukverschil, drukberg- laat zich eenvoudig schetsen, maar dit zal de klant worst wezen. Deze interesseert zich maar voor drie zaken: levensduur, wrijving en lekstroom. Oftewel: ‘Hoelang gaat de dichting mee?’, ‘Blijft de as soepel draaien of wordt deze afgeremd?’ en ‘Hoeveel olie verdwijnt in zee en hoeveel zeewater komt naar binnen?’.
Nu hebben die roterende afdichtingen één groot probleem. ‘We hebben geen idee hoe ze werken’, vertelt Kuiken laconiek. En dat is vervelend. Immers, zonder duidelijk model kun je er niet aan rekenen en daardoor ook geen voorspellingen doen. ‘Wat gebeurt er met de lekstroom als de ruwheid verandert? Wat doet de wrijving als we een sterkere veer gebruiken? Geen idee’, zegt de promovendus. ‘Het onderzoek be-perkte zich dan ook tot het doen van experimenten en kijken wat er gebeurt. As-ruwheid zus en veerdruk zo: doet ie ‘t of doet ie ‘t niet?’
Optimale afdichting
Na zijn aio-2 opleiding kreeg Kuiken de kans verder te gaan en te promoveren. Dit keer ook weer op afdichtingen, maar nu op de translerende. En dit blijkt een heel ander verhaal. Een heen-en-weer bewegende as versimpelt het probleem namelijk aanzienlijk, aldus Kuiken. Want hierbij kennen we het mechanisme wel. Bij iedere slag sleurt de as een beetje olie mee door de spleet tussen metaal en afdichting. Of technischer: de richting van de vloeistof-smering is evenwijdig aan de as-beweging. Of nog technischer: het probleem ziet eruit als een één-dimensionale Reynoldsvergelij-king. En die is op te lossen.
Kuiken kreeg de opdracht de aanwezige technische academische kennis beschikbaar te maken voor het bedrijfsleven. Een technische universiteit staat immers bol van het theoretisch onderzoek: ‘elastohydrodynamiek’, ‘visco-elastische elementen’, ‘contactdrukverdeling van radiale lip-afdichtingen’. Maar ook hierbij is de fabrikant meer geinteresseerd in de praktische gevolgen. ‘Bovendien’, zegt Kuiken, ‘op de TUE maken we gebruik van dure software-pakketten. Deze zijn gewoon veel te prijzig voor het midden- en kleinbedrijf.’
Kuiken ontwikkelde een gebrui-kersvriendelijke ontwerpprocedure. Hiermee kan een fabrikant, gegeven de eisen, snel en goedkoop een optimale afdichting uitrekenen. Experimenten wijzen uit dat het werkt. Je kunt nu vanaf de tekenplank een bruikbare afdichting ontwerpen, iets wat vroeger onmogelijk was. Kuiken: ‘De lekstroom kunnen we nauwkeurig voorspellen en de wrijving binnen twintig à dertig procent van de uiteindelijke waarde. Levensduur blijft moeilijk, dit is teveel afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. En die hebben we niet in de hand. Rijd je af en toe rustig naar familie of race je iedere ochtend naar je werk? Wordt de afdichting midden in de Sahara gebruikt of ergens op de Noordpool?’
Boom
Een goed ontwerpproces ziet eruit als een boom, aldus Kuiken. ‘Je begint beneden aan de grond en er wordt van je verwacht dat je binnen een bepaalde tijd de top bereikt. De zijtakken vormen daarbij de theoretische achtergrond. Langzaam klim je omhoog en steeds wandel je over de takken op zoek naar de benodigde kennis. Als je denkt dat je het gevonden hebt, keer je weer terug naar de stam en klim je verder. Dit vormt ook het voornaamste verschil tussen een klassieke promovendus en een ontwerper’, legt Kuiken uit. Een oude-stijl onderzoeker nestelt zich volgens hem ergens aan het uiteinde een tak. Zijn werk moet die tak een beetje verder laten groeien. Een ontwerper maakt daarentegen gebruik van de beschikbare kennis en probeert een kant-en-klaar product af te leveren. Daarbij moet je volgens Kuiken soms gewoon een ‘educated guess’ maken, als er niet voldoende gegevens bekend zijn. ‘Je gaat dan op je voorgevoel af. Het succes daarvan onderscheidt een goede van een slechte ontwerper.’ Overigens merkt hij geruststellend op: ‘Tachtig procent goede beslissingen levert een honderd procent goed product.’
Kuiken is één van de eersten die promoveert op een ontwerp. Vanuit de traditionele hoek wordt nogal eens neerbuigend gedaan over deze nieuwe vorm van promoveren. Maar daar wil Kuiken niets van weten. ‘De intellectuele prestatie blijft gelijk. De complexiteit verandert immers niet, de nadruk komt alleen ergens anders te liggen.’