Constructieprincipes

Constructieprincipes, wat zijn dat?

    Constructieprincipes zijn slimme grondbeginselen voor het ontwerp van machines en producten. Ze vormen de basis voor het ontwerp en de bouw ervan. Constructieprincipes volgens nieuwe inzichten zullen je helpen een optimaal functionerend ontwerp te realiseren. Maar ook slimme principes van vroeger kunnen uitstekend ingezet worden voor je toekomstige ontwerp.

Waar moet een goede constructie zoal aan voldoen?

Een constructie moet bijvoorbeeld sterk genoeg zijn zodat deze niet bezwijkt onder optredende belasting. Daarnaast wordt vaak van een constructie een zekere stijfheid op een bepaalde plaats en in een bepaalde richting vereist.

  • Hoe kom je tot een constructie met op elke plek en in elke richting de juiste stijfheid?
  • En hoe ga je tijdens het ontwerpen om met vrijheidsgraden van beweging zodat jouw constructie exact de juiste vrijheidsgraden heeft?
  • Wat zijn goed-werkende constructies en modules voor het (fijnmechanisch-) bewegen en positioneren?
  • Hoe maak je slim gebruik van plaatwerk, materialen en vormen?
  • Hoe pas je elastische elementen toe in je constructie?
  • Daarvoor dienen de constructieprincipes!

Constructieprincipes per vak verschillend

    In de bouw gelden andere constructieprincipes dan in de werktuigbouwkunde. Dit heeft te maken met de gebruikte materialen en de vereiste nauwkeurigheden. De vraag is ook hoe een constructie wordt belast. Is dat alleen statisch of ook dynamisch?
    In de werktuigbouwkunde heb je te maken met tal van fenomenen waarvan we handig gebruik kunnen maken, mits op de juiste wijze toegepast. Denk bijvoorbeeld aan speling, compliantie, wrijving en hysterese. Voor het nauwkeurig bewegen en positioneren kunnen deze fenomenen lastig zijn en vergt het inzicht en oefening om ze te vermijden. Daarnaast kunnen microslip, zwakte en statische onbepaaldheid je goede bedoelingen verstoren. Ze vragen om een zorgvuldig ontwerp en het kunnen rekenen met vuistformules zodat je al snel weet of jouw concept haalbaar is.

Waar en wanneer kun je constructieprincipes toepassen?

    Deze principes kun je toepassen in alle takken van de werktuigbouwkunde en soms ook in de bouwkunde, kortom van precisietechnologie tot hoge gebouwen.

Oude en nieuwe constructieprincipes toepassen

Vakmensen van nu verwerken nieuwe- maar soms ook oude inzichten in hun constructies. Het toepassen van de juiste constructieprincipes kan je tijd besparen. Je kan je voordeel doen met de ervaring van anderen. Zelfs al in het vierde en vijfde millennium voor Christus bedachten mensen in India en Egypte slimme oplossingen voor allerlei processen. Ze ontwierpen intelligente gereedschappen en constructies en maakten hier tekeningen van.

Illustratie: Egyptenaren aan het werk. Met o.a. gereedschap dat we nu kennen als de bow drill of boog-boor. (Illustratie met toestemming overgenomen van Salko Safic)

Constructieprincipes

Waarom constructieprincipes?

    Kennis over de constructieprincipes zal je helpen om bij elke uitdaging in de machinebouw, soms ook in de bouw, de geschikte oplossing te vinden. Dit is nodig om een goedwerkende machine of een functioneel product te kunnen ontwerpen en te bouwen. Door het op de juiste manier toepassen van constructieprincipes bespaar je materiaal en tijd, dus ook geld. Door duurzaam te construeren met hulp van de juiste constructieprincipes draag je bij aan een mooiere wereld.

Hoe doe je dat?

    Er zijn diverse goede studieboeken op het gebied van constructieprincipes vrij in de handel verkrijgbaar. Het bestuderen van deze principes en het goed bestuderen van de afbeeldingen zal de ontwerper zeker helpen.
    Een voorbeeld: In veel bruggen zijn bijvoorbeeld driehoekverbindingen verwerkt. De stabiele vorm van een driehoek maakt hem geschikt als constructieprincipe.
    Een voorbeeld: Door slim te construeren met bijvoorbeeld dun plaatmateriaal in een bepaalde vorm kun je eveneens een lichte en stijve constructie bouwen. Daarnaast is het zinvol om al in een vroeg stadium met behulp van enkele vuistformules afschattingen te maken. Daardoor weet je of jouw concept haalbaar is.

Alles draait om het proces

    Als jou wordt gevraagd om een nieuwe machine te ontwerpen, dan begin je met je te verdiepen in het onderhavige proces. Wat moet deze machine kunnen? Ga je een machine verbeteren, dan begin je met je te verdiepen in het onderhavige probleem. Het helpt daarbij om ‘in de huid te kruipen’ van een component of materiaal om te snappen wat er zich precies afspeelt. Wanneer je dat eenmaal begrijpt, pas dan kun je met goede concepten komen.

Steeds kleiner en sneller

    Vergaande miniaturisering van de mechanica en van elektronische componenten vraagt om zeer nauwkeurig bewegen en positioneren. Dit kan alleen wanneer je alle fenomenen helemaal begrijpt en er goed mee om weet te gaan.

Het gewenste effect met minder materiaal

    Voor een slimme constructie kan je vaak toe met minder materialen. Een lagere massa kan gunstig uitpakken voor de machinedynamica. Trouwens ook voor de projectbegroting. Holle constructies en profielen combineren een besparing op materiaalgebruik met behoud van voldoende stijfheid en sterkte.

Hoe bereik je dat met constructieprincipes?

Juist, door het goed en efficiënt trainen van ontwerpers op dit vakgebied. Een training bevat de volgende onderwerpen:
Dag 1:

  • Korte kennismaking en vaststellen van de leerdoelen
  • Nauwkeurigheid van processen (o.a. positioneren)
  • Afwijkingen (systematische-, toevallige-), spreiding, tolerantie, standaarddeviatie, resolutie, absolute nauwkeurigheid, herhaalnauwkeurigheid
  • Stijfheid, bewust gekozen, op elke plaats in een bepaalde richting. Hoe je een constructie maakt die in alle richtingen de gewenste stijfheid en compliantie heeft
  • Eigenfrequentie en modale analyse

Dag 2:

  • Sterkte versus zwakte. Oorzaken van falen, faalanalyse
  • Reële speling en spelingsonderdrukking
  • Virtuele speling, wrijving, compliantie en hysterese
  • Macroslip en microslip
  • Slijtage en vermoeiing
  • Beheersen van vrijheidsgraden
  • Statisch bepaald-, versus statisch onbepaald construeren

Dag 3:

  • Thermische effecten en thermisch centrum
  • Ontwerpen van beweging met behulp van flexures
  • Toepassen van bladveren, gatscharnieren, flexures met 1-DOF, 2-DOF en 3-DOF
  • Optimaal gebruik maken van elastische constructie-elementen
  • Fijnmechanisch bewegen en manipuleren
  • Energieopslag in elastische elementen en systemen
  • Het correct opzetten van een aandrijflijn. Er zal worden gerekend aan statisch bepaalde constructies en statisch onbepaalde constructies

Dag 4:

  • Systeemgedrag voorspellen
  • Kinematisch bepaald construeren
  • Trillingen en trillingsonderdrukking
  • Ontwerpen van beweging met behulp van starre elementen
  • Ontwerpen van aandrijvingen
  • Serieschakeling- en parallelschakeling van stijfheden
  • Ontwerpen van mechanismen in 2D en 3D. Voor het ontwerpen van mechanismen krijgen de deelnemers de methode en bijbehorende oefeningen en materialen aangereikt

Werkmethode

  • Elke module wordt ingeleid met een theoretische onderbouwing. Gevolgd door een aantal tussenoefeningen en tot slot een kernoefening of casus uit de praktijk
  • Er worden veel praktijkvoorbeelden van geflopte en geslaagde constructies behandeld. Vaak wordt tijdens een in-company training de te oefenen stof gekoppeld aan praktijkcases van de deelnemers. Daartoe tekent Inventas in overleg met de opdrachtgever een NDA

Nauwkeurig bewegen en positioneren

    Voor het nauwkeurig bewegen en positioneren werken de eerder genoemde fenomenen belemmerend. Zo kunnen ze een onzekerheid veroorzaken over de plaats van een component in het proces. Ze vragen om een zorgvuldig ontwerp met toepassing van de juiste principes. Het vergt inzicht en oefening om ze te vermijden. Dat de genoemde fenomenen ongewenst zijn tonen de vele voorbeelden aan die tijdens een training constructieprincipes aan bod komen.

Lees- en leertips

  • ‘Des duivels prentenboek’ van prof. ir. Wim van der Hoek
    Verzameling van vraagstukken en oplossingen uit de praktijk, over lastige fenomenen in constructies. Van der Hoeks bijdragen verschenen ook in een gelijknamige reeks in het vakblad Constructeur.
  • Design principles’ van prof. dr. ir. H. Soemers
  • Constructieprincipes training van Inventas
    In de jaren 1960-1970 is in Eindhoven prof. ir. W. van der Hoek begonnen aan zijn werk ‘Des Duivels Prentenboek’. Dit boek bevatte oplossingen uit de praktijk om af te kunnen rekenen met lastige fenomenen in constructies. Door zijn kennis van de mechanica en logisch nadenken wist hij nuttige tips te verzamelen om goed te construeren en daarbij valkuilen te vermijden. Van der Hoek is met dit werk de grondlegger van het vak constructieprincipes. Een vak dat veel mensen wereldwijd nog steeds volgen. Hij werd een icoon in de precisietechnologie en verwierf internationale bekendheid.
    Vanaf de negentiger jaren verwierf Prof.dr.ir. M.P. Koster bekendheid door zijn grote kennis van de mechanica en met zijn boek ‘Constructieprincipes voor het nauwkeurig bewegen en positioneren’. (zie afbeelding) Bij het ontwerpen van consumentenproducten, professionele producten en productiemiddelen is de nauwkeurigheid van beweging en positionering in veel gevallen een belangrijk aspect. De in dit boek aangereikte constructieprincipes hielpen de constructeur op weg om die eigenschappen in zijn systeem te krijgen, die hij op grond van de theoretische overwegingen nastreeft. Het boek is uit de handel en niet meer nieuw leverbaar.
    Het toepassen van constructieprincipes voor precisietechnologie is niet vreemd voor veel high tech bedrijven in Nederland en België. Toonbeeld van constructieprincipes en de toepassing ervan in de dagelijkse praktijk is het Nederlandse bedrijf ASML dat wereldwijd opereert en faam verwerft dankzij vooruitgang in de techniek onder het motto “Het is niemand eerder gelukt dus wij moeten dat kunnen”

Het begrijpen van constructieprincipes

    De ervaring leert dat het vak constructieprincipes niet eenvoudig is. Je hebt het meeste profijt van de boeken als je jezelf de tijd gunt om afbeeldingen lang en kritisch te bekijken. Pas dan kun je deze grondig in je opnemen en analyseren. Ergens de tijd voor nemen ligt helaas steeds minder voor de hand. We kijken vaak vluchtig en oppervlakkig naar allerlei zaken door de veelheid aan informatie die op ons af komt. We nemen vaak niet de tijd om ons te concentreren op processen, verbeteringen en principes. En dat is nu juist belangrijk voor het vak van ontwerper en constructeur.

Wanneer is je klant tevreden?

    Nadat bewezen is dat de constructie, die je speciaal voor hem ontwikkelde, voldoet aan zijn verwachtingen qua prijs, levertijd en prestaties. Pas dan is je klant echt tevreden. Hiervoor heb je gedegen inzicht nodig en je moet de vraag van de klant door en door begrijpen. Daar gaat een goede oriënterende en onderzoekende fase aan vooraf. In het werkelijk begrijpen van een probleem ligt de basis van de oplossing.

Observeren en verdiepen

    Als je eenmaal aan een constructie veel tijd hebt besteed, of zelf de constructie hebt ontworpen, zal je die de rest van je werkzame leven onthouden. Dat maakt het zo waardevol om je in slimme constructieprincipes te verdiepen en goed te observeren hoe ze gemaakt zijn en hoe ze werken.

Checklist voor de ontwerper

Ontwerpen is enorm leuk, het geeft veel voldoening. Wil je tot een goed ontwerp komen? Volg dan op z’n minst deze stappen:

  • Begin met een grondig onderzoek, probeer het proces te snappen,
  • ‘Kruip in de huid van..’,
  • Denk vervolgens goed na over een mogelijk concept,
  • Maak creatieve schetsen,
  • Pas de juiste constructieprincipes toe. Het boek van Prof.dr.ir.M.P.Koster kan daarbij behulpzaam zijn.

Een efficiënt ontwerpproces

    Dat het slim is om alle gevolgde stappen goed te plannen, vast te leggen en te archiveren mag een understatement zijn. Heldere en smart-geformuleerde specificaties en afspraken gaan je helpen om het ontwerpproces efficiënt te doorlopen. Bovendien zal het je helpen als je je collega’s laat meekijken en hen laat checken of je de juiste keuzes hebt gemaakt.

Meer weten?

Misschien wil je meer weten over constructieprincipes of wil je je verder bekwamen in dit vak. Mogelijk heb je interesse om hierin een cursus of training te volgen. Meer informatie hierover en de mogelijkheid om je hiervoor in te schrijven vind je hier: training constructieprincipes voor precisietechnologie.

Terug naar begin

Deelnemen aan deze cursus?

Voor de training Constructieprincipes kun je je individueel inschrijven door op onderstaande link te klikken. Deze training wordt ook in-company op maat verzorgd. Informeer vrijblijvend naar de opties en prijzen.

040 – 303 46 94
Maandag t/m vrijdag: 08:30 – 17:30