Ontwerpdossier - PROJECT INNOVEREN

Ontwerpdossier - PROJECT INNOVEREN

Eigenwijze Ventilator - Perpetum Mobile | 27.12.2018

Ontwerpdossier Project Innoveren - PIE module metaaltechniek

 

 

 

Opdrachtgever :

Hogeschool Windesheim, Campus T, Postbus 10090, 8000 GB Zwolle

Docentbegeleider :

Michel Greven

Opstellers :

Gerard Mastenbroek: studentnr. S1183878, g.mastenbroek@solcon.nl, tel. 0651020864

Leszek Kuczkowski; studentnr. S1138943, kuczkowski43@gmail.com, tel. 0649119650

Inleiding

Dit dossier is gemaakt t.b.v. het scholingsonderdeel Project Innoveren van de Lerarenopleiding Technisch Beroepsonderwijs VMBO PIE Module Metaaltechniek. Het dossier bevat achtereenvolgende fases van het ontwerpproces van het werkstuk genoemd “Perpetuum mobile-Eigenwijze Ventilator”.

Dit ontwerp werd bedacht, geïnnoveerd, uitgewerkt en uitgevoerd in samenwerking van tweetal studenten: Gerard Mastenbroek en Leszek Kuczkowski. Dit dossier is samengesteld en opgebouwd volgens de methode zoals beschreven in het boek van W.Zeiler “Ontwerpen-Van ‘Methodisch Ontwerpen’tot ‘Integraal Onwerpen’” (2014) en van R.Grit “Projectmanagement” (2015).

Het door ons gemaakte “Perpetuum mobile-Eigenwijze Ventilator” is in wezen een variant op een reeds bestaande Perpetuum Mobile die in 1832 uitgevonden en gepatenteerd werd door een Engelse uitvinder F.S. Mackintosh.

Bij het maken van dit werkstuk hebben wij gebruik gemaakt van verschillende ferro en non-ferro materialen, zoals: aluminium, messing, kunststof-PVC en uiteindelijk ook hout.

Als innovatie en uitbreiding van deze “Mackintosh Perpetual wheel” hebben wij op de verlengde as van de wielen een fan gemonteerd. Het theoretisch resultaat zou een voortdurend draaiende Perpetuum Mobile wiel worden, die gelijktijdig een luchtstroom zou produceren.

Het principe van deze mechanisme is gebaseerd op een sterke magneet in de open sleuf tussen de zijkanten van het wiel die een ijzeren kogel aantrekt. De magneet moet de kogel naar één kant van het midden trekken om het wiel permanent uit balans te brengen. De statische potentiële energie van de magnetische kracht wordt omgezet in zuivere kinetische energie.

Technisch gezien zou een ideale perpetuum mobile 0% efficiëntie moeten hebben, omdat hij 100% van zijn energie moet gebruiken om zichzelf in beweging te houden.

Enigszins teleurstellend komt onze conclusie overeen met die van Mackintosh zelf. Nog voordat zijn uitvinding in 1936 in het artikel van het "Mechanics 'Magazine" werd gepubliceerd, is hij overtuigd geraakt van de onmogelijkheid van zijn perpetuum mobile-uitvinding. Ook wij moeten helaas concluderen dat, ondanks onze inspanningen bij het maken van deze mechanisme, de werking ervan niet naar onze verwachtingen is.

Inhoudsopgave dossier

   

 

 

1.    Probleem definiërende fase

2.    Werkwijzebepalende fase

         2.1.  Morfologische kaart

3.   Keuzebepalende fase

         3.1.  Keuzebepalingen

4.   Vormgevende fase

5.   Reflectie

          5.1.  Reflectie op het project: Gerard Mastenbroek

          5.2.  Reflectie op het project: Leszek Kuczkowski

1. Probleem definiërende fase

Tijdens deze fase hebben wij ons aandacht gericht op het vooronderzoek om zo goed mogelijk de eisen en de wensenpakket van de “opdrachtgever” te vervullen. De voornaamste doelen van deze fase waren, het maken van de juiste keuzes en vervolgens een analyse te maken van de technische uitvoering van ons ontwerp.

De probleemdefiniëring die voor deze fase werd voorgelegd, was voor ons volkomen nieuw en vereiste extra inspanning van ons. Voor deze opdracht werden wij geacht om een duurzame, technische ontwerpoplossing te bedenken voor Perpetuum Mobile en een innovatie daarop te brengen. Een daarbij gestelde eis was dat het ontwerp uit minimaal twee ferro, non ferro en/of kunststoffen materialen gemaakt moest worden. Daarnaast waren wij verbonden aan een bepaald tijdschema die in samenhang moest zijn met het realisatieproces van dit project.

De meeste ideeën voor ons ontwerp hebben wij van het internet gehaald, wat overigens ook een bepaald risico met zich mee brengt. Wat, vooral in het beginsel, onze voornaamste vuilkuil was, was dat wij blindelings op allerlei YouTube filmpjes vertrouwden. Pas na een diepere analyse van een tal filmpjes zijn wij erachter gekomen dat vele van hen helaas niet waar bleken te zijn.

Tenslotte hebben wij voor een ontwerp gekozen dat volgens ons wel zou moeten werken, een ontwerp dat te innoveren was en dat voor ons, in de daarvoor gestelde tijd, uit te voeren viel. Het resultaat was een variant op een reeds bestaande oplossing van een “Perpetuum Mobile Wheel” van Mackintosh geworden. Onze innovatie: een fan op de verlengde as.

De volgende stap van deze fase was het schrijven van “Plan van aanpak” (bijlage 1) wat een uitgangspunt voor de verdere uitwerking van dit project is geworden. Daarin zijn wij ingegaan op de aspecten die bij het ontwikkeling van een project horen, zoals: doelstelling van het project, pakket van eisen, projectactiviteiten, projectgrenzen en randvoorwaarden, tussenresultaten, kwaliteitsbewaking, planning en tenslotte de constructieberekeningen.

2. Werkwijzebepalende fase

 

In deze fase zijn wij op zoek gegaan naar mogelijke werkwijzen om het ontwerp, waar wij voor gekozen hebben, verder uit te kunnen werken. Typerend voor deze fase was dat wij nu in oplossingen moesten gaan denken.

Het uitgangspunt voor deze fase was het opstellen van een morfologische kaart (hoodstuk 2.1).

De morfologische kaart is gebaseerd op een ordering van voorwerpen op basis van bepaalde criteria of kenmerken. Deze ontwerptechniek heeft ons geholpen om de juiste beslissingen te kunnen nemen met betrekking tot het materiaal, de vorm en de functionaliteit van onze “Perpetuum Mobile- Eigenwijze ventilator”. Met behulp van een morfologisch overzicht hebben wij  alle mogelijke keuzes en oplossingen kunnen structureren om zo verder over te kunnen gaan naar de volgende fase: de keuze bepalende fase.

2.1. Morfologische kaart

 

 

 

In deze morfologische kaart (bijlage 2) zijn mogelijke oplossingen voor het ontwerp van de “Perpetuum mobile-Eigenwijze Ventilator” weergegeven voor verschillende soorten en vormen van materialen.

Omdat het hier om een relatief eenvoudig  ontwerp gaat, hebben wij voor maar twee cobinaties/lijnen gekozen: combinatie A (gele lijn) en combinatie B (rode lijn). Het gebruik maken van meerdere combinaties lijkte ons overdreven en overbodig.

3. Keuzebepalende fase

Op basis van de morfologische kaart hebben wij in de vorige fase de door ons gewenste oplossingsvarianten in zicht gekregen. Naast het maken van de juiste keuzes konden wij ons nu concentreren op het maken van een prototype. Wij kwamen tot het idee om met een conceptontwerp te gaan werken om daarna tot nog betere resultaten te kunnen komen m.b.t. ons eindontwerp.  

Nadat wij het materiaal, de vorm en de geschatte afmetingen hebben bepaald, hebben wij handschetsen getekend van onze prototype (bijlage 3a en 3b).

Nu konden wij over gaan naar het maken van een prototype zelf (foto 1 en 2) en vervolgens naar het moment dat wij voor het eerst daadwerkelijk de werking ervan konden uitproberen. Enigszins teleurstellend, zijn wij tot de ontdekking gekomen dat deze prototype niet naar onze verwachtingen bleek te werken. Onze conclusie was, dat wij voor het eindontwerp andere vorm en, op basis van het morfologisch overzicht, ook andere materialen zullen toepassen. Tevens hebben wij besloten dat het eindontwerp compacter gemaakt moest worden.

Om de correcte maten toe te kunnen passen hebben wij onze constructieberekeningen geraadpleegd (bijlage 4). Daaruit bleek dat de krachten (bijlage 5a en 5b), die op de bepaalde onderdelen uitgeoefend worden, zodanig klein zijn, dat wij daar eigenlijk niet per se rekening mee hoeven te houden. Daarom hebben wij, in het geval van de as en de steunen, voor wat robuustere uitvoering (grotere maten) gekozen.

3.1. Keuzebepalingen

 

 

Aan de hand van de Morfologische kaart zij er de volgende algemene keuzes gemaakt:

-       Er is gekozen voor een staande frame. Dit omdat deze vorm voor onze doelgroep goed te reproduceren is zonder al te veel fouten en correcties te hoeven toepassen.

-       De houten bodemplaat geeft voldoende steun aan de perpetuum en geeft ruimte om de magneet goed neer te kunnen leggen.

-       Er is gekozen voor aluminium, omdat dit goed te bewerken is.

-       De magneet is een ringmagneet geworden omdat deze voorhanden was.

-       De kogel die het perpetuum aandrijft is verchroomd en heeft een diameter van 20mm, een kogel met een grotere diameter zou te zwaar zijn en met een kleinere kogel loop je risico dat deze kwijtraakt in het proces.

-       Voor de ventilator is er in dit model gekozen voor kunststof, omdat deze aanwezig was op de afdeling. Ook zou er gekozen kunnen worden voor een aluminium fan blad, indien dit  los te verkrijgen is .    _______________________________________________________________________________________________  Daarnaast hebben wij nog naar de beoordelingscriteria gekeken die gerelateerd zijn aan het realiseren en het fabriceren van ons werkstuk. Op basis van het bovengenoemde hebben wij een tabel samengesteld.

De Kesselringmethode die in het boek van W. Zeiler (2014) staat beschreven diende hierbij als voorbeeld. Omdat wij op onze morfologische kaart puur voor het materiaal en de vorm hebben gekozen, is er in deze opdracht niet de volledige methode toegepast. De functionele- of gebruikerseisen zijn in dit geval door ons niet in acht genomen.  

 

Realisatie/Fabricage-criteria

Combinatie A

(gele lijn)

Combinatie B

(rode lijn)

Ideaal

Eenvoudig te monteren

3

4

4

Eenvoudiger en sneller te produceren

3

4

4

Makkelijk te bewerken materiaal

3

4

4

Complexiteit van onderdelen

4

4

4

Fabricagekosten

2

4

4

Aantal onderdelen

4

4

4

Krachtenspel mogelijk

4

4

4

Totaal punten

23

28

28

TOTAAL %

82 %

100 %

100 %

 

Met behulp van de verkregen tabel kunnen wij concluderen dat Combinatie B (de rode lijn) in dit geval de beste keuze voor ons blijkt te zijn.

4. Vormgevende fase

In deze fase hebben wij het volgende in samenhang aan de orde laten komen: de materiaalkeuze, de keuze van het fabricageproces en de gewenste afmetingen. Al deze bepalingen zijn gebaseerd op onze eerdere beslissingen en zullen de uiteindelijke vorm van onze “Perpetuum Mobile- Eigenwijze ventilator” bepalen.

Zoals bij het maken van de prototype zijn wij ook eerst begonnen met het tekenen van handschetsen op basis van de door ons eerder gekozen concrete materialen en maten (bijlage 6 en 7). Na het tekenen van een schets hebben we aan de hand van het programma ‘Solid Works’ “professionele” tekeningen ontworpen (bijlage 8a, 8b en 8c).

Bij het testen van het eindontwerp is gebleken dat ook hier, net als in de prototype, de wielen niet wilden draaien. Na het analyseren van dit probleem en het opnieuw bekijken van een tal You Tube filmpjes, hebben wij bedacht om aan de binnenkant van de wielen een schuine rand af te draaien (bijlage 9) om zo een grotere aanrakingsvlak voor de kogel te creëren. Het was volgens ons ook van belang dat deze schuine rand ruw bleef voor een betere grip (grotere wrijving) tussen de kogel en de wielen. Al deze oplossingen bleken echter niet te werken. We kunnen concluderen dat het maken van een perfecte  Perpetuum Mobile helaas niet mogelijk blijkt te zijn.

5. Reflectie

Idividuele bijdrage en de planning hebben wij in een tabel opgenomen (bijlage 10).

5.1. Reflectie op het project: Gerard Mastenbroek

In de opleiding professionalisering docent VMBO PIE – Module M onder het onderdeel Project Innoveren kregen wij de opdracht: “een perpetuum mobile ontwerpen en maken.”

Een perpetuum mobile is een zelf draaiende beweging, zeg maar een eeuwige beweging, maar die bestaat niet! Maar goed we hebben een opdracht dus.

Wij, Leszek Kuczkowski en Gerard Mastenbroek, zijn direct heel voortvarend aan de slag gegaan met als ondersteuning het boek projectmanagement van Roel Grit en het boek Basisboek Ontwerpen van Wim Zeiler en de gegevens uit sheets van de colleges.

Al snel zijn we via internet terecht gekomen op een perpetuum uitvoering van Robert Boyle. Dit is een voorstelling van een vat wat middels de capillaire werking zich zelf zou blijven bijvullen. Ons idee was om de retourvloeistoflijn te onderbreken en dit dan middels een schoepenrad een draaiende beweging te laten veroorzaken. Aan deze draaiende beweging wilde we een ventilator aandrijven. Een niet alle daagse ventilator dus vandaar de naam “eigenwijze ventilator” voor ons project. Helaas kwamen we, gelukkig heel snel, achter het gegeven dat deze variant niet werkt. Via YouTube zagen we diverse experimenten met verschillende vloeistoffen en uitvoeringen van de hoeveelheden vloeistoffen, maar ze werkte geen van allen.

Noot: dit is voor mij een leerpunt geworden om voor de toekomst nog meer voorwerk te verrichten al vorens ik aan iets begin waar ik niet direct achter sta.

Vanaf het begin al twijfels gehad want de perpetuum bestaat niet. Toch enigszins teleurgesteld zijn we verder gaan zoeken en kwamen we op een andere uitvoering van een perpetuum mobile namelijk die van F.S.Mackintosh. Zijn perpetuum mobile werkt met een kogel die middels een magneet een wiel aandrijft. Wij willen de as aan de wielen verlengen en zo een ventilator willen laten draaien.

Leszek heeft een prototype van kunststof materialen gemaakt om ons idee nog meer beeld te geven dan de schetsen ons gaven. Daarnaast is Leszek heel voortvarend geweest en heeft het plan van aanpak op papier gezet. Ik heb het tekenwerk in Solid Works voor mijn rekening genomen en heb het uiteindelijke prototype vervaardigd.

In dit project hebben we elkaar nooit hoeven aan sporen om door te gaan, we zijn vaak onafhankelijk van elkaar aan het werk gegaan. Op de donderdagen was er tijd om elkaar bij te praten over hetgeen er nu weer op stapel stond dan wel afgerond was. Tot tevredenheid van een ieder.

Nu we een prototype hadden stond de weg naar een definitief ontwerp open en met de volgende gebruikte materialen ben ik aan de slag gegaan.

Veel van de onderdelen komen uit de schoolvoorraad en daar zijn we heel blij mee geweest.

De wielen zijn twee riool afdicht kappen rond 110: afdeling PIE.

De houten onder plaat: techniek onderbouw.

De steunen gemaakt uit aluminium strip: afdeling PIE.

De lager houders van een oud examenwerkstuk: afdeling PIE.

De twee lagers zaten in de houders: afdeling PIE.

De as is gedraaid uit messing staaf: afdeling PIE

De ventilator komt uit een oude pc voeding: ICT

De magneten uit een luidspreker die we opgeofferd hebben voor ons project.

De kosten van ons project zijn ver beneden de begroting gebleven. In totaal € 25,00 uitgegeven we hebben uiteindelijk allen twee kogels en twee lagers hoeven aanschaffen.

Het assembleren van de onderdelen ging heel voorspoedig maar al gauw bleek dat beide lagers hun beste tijd hebben gehad en wij niet wilde dat onze eigenwijze ventilator niet zou gaan draaien door een stel defecte lagers. Dus op de valreep van het ouder jaar nog twee nieuwe lagers besteld.

Het volgende probleem diende zich aan want de kogel ging veel te soepel door de wielen heen. Dit probleem hebben we geprobeerd te ondervangen door een schuine rand aan de binnen kant van de wielen de draaien.

Als ik terug kijk naar het werkstuk wat we hebben opgeleverd dan ben ik daar best tevreden over.

Het werkstuk ziet er goed uit qua afwerking en zeker qua constructie is het werkstuk echt "studentproof” gemaakt.

Onze leerlingen, de doelgroep waar we het voor gemaakt hebben, kijken nogal graag met hun handen dus moest het robuuster worden dan we berekend hebben vandaar dat we afwijken van de berekende waardes.

Voor mijzelf heeft dit project veel opgeleverd.

Alle werkzaamheden van het draaien van de as, tot het afdraaien van de wielen heb ik zelf gedaan. Het assembleren en daarna het in en uitpersen van de lagers was een werkje wat ik nog niet gedaan had voorheen.

Leuk leermoment om dit toch te gaan doen terwijl je niet weet wat er uitkomt.

De samenwerking op afstand heb ik als heel leerzaam ervaren. Het projectmatig werken was voor mij geen probleem, ik heb dit in het verleden ook beroepsmatig moeten doen toen ik nog bij KPN werkte als projectleider.

Het is een heel drukke tijd geweest, ik heb veel moeten doen naast mijn eigen baan, ik werk op twee scholen. Naast dit project moest er ook nog geleerd worden om met Solid Works om te gaan.

Van huis uit ben ik een elektrotechnicus dus werk ik heel vaak 2D in plaats van met 3D.

Als extra beleving moest ik toch ook best wennen om weer in de schoolbanken te zitten als student en niet als docent, ook weer een hele ervaring.

Modelleren met Solid Works was voor mij geheel nieuw denkproces en heeft heel veel tijd opgeslokt maar het was wel enorm leerzaam om het te mogen doen.

De kerstvakantie was voor mij een uitkomst om een en andere alsnog op tijd te kunnen opleveren, (mijn eega denkt daar toch wat anders over en hoopt dat de investering ook resultaat oplevert).

Al met al een goed project om uit te voeren.

5.2. Reflectie op het project: Leszek Kuczkowski

Dit project omvat opdrachten ten behoeve van het scholingsonderdeel Project Innoveren, Professionaliseringstraject opleiding PIE- module Metaaltechniek. Tijdens deze opleiding ben ik voor het eerst in aanraking gekomen met het projectmatig werken op zo een grote schaal. Omdat het goed uit te kunnen voeren had ik eerst kennis nodig van de aanpak van projectmatig werken. Gedurende het gehele project vormde het “Basisboek Ontwerpen- Van Methodisch Ontwerpen tot  Integraal Ontwerpen“ (2014) van W. Zeiler evenals het boek “Projectmanagement” (2015) van R. Grit, de rode draad voor mijn leerzaam studieproces. Ik heb heel veel aan deze twee boeken gehad en naar mijn mening was dit ook voldoende om het project te laten slagen. Ik heb daarna ook echt geprobeerd om, tijdens het realiseren van het project, methodisch en gestructureerd aan het werk te gaan, om zo stap voor stap het geheel uit te kunnen voeren.  

Een ander “nieuw” onderdeel  van het project voor mij was, werken met het programma Solid Works. Ik heb nu pas voor het eerst kennis gemaakt met dit programma en het gebruik hiervan. Het heeft mij veel tijd gekost, maar ik ben tevreden met mijn resultaten en met het feit dat ik het uiteindelijk onder de knie heb kunnen krijgen en dat ik nu in staat ben om zelfstandig technisch te tekenen met behulp van Solid Works.

Een ander leermoment was de samenwerking met mijn medestudent Gerard. Het frappante aan onze samenwerking was, dat wij genoodzaakt waren om veel op afstand samen te werken. Echter zijn wij vaak onafhankelijk van elkaar aan het werk geweest om vervolgens onze resultaten, meestal een keer per week op het Windesheim of via de App, te evalueren. Dat is gelukkig, naar mijn idee, vlekkeloos verlopen en vormde voor ons verder geen belemmering.  

Ondanks de verdeling van onze werkzaamheden, heb ik besloten om bepaalde opdrachten alsnog ook zelf uit te voeren om er zelf van te leren. Ik weet uit ervaring dat dit voor mij de beste manier is om “kennis eigen te maken”. Een voorbeeld hiervan zijn de in Solid Works gemaakte werktekeningen zijn, van de losse onderdelen van onze “Perpetuum Mobile-Eigenwijze ventilator “(zie bijlage 11).

De exacte verdeling van de werkzaamheden is te vinden in de bijlage (bijlage 10) evenals in eerdere persoonlijke reflectie van Gerard.

Wat mij veel energie en moeite heeft gekost en waar ik de meeste kennis voor nodig had, was het schrijven van een PvA, technisch tekenen met Solid Works en  op een voor mij nieuwe en nog onbekende manier projectmatig werken.

Het minst moeilijke (en enigszins ontspannende) vond ik het maken van het prototype en het tekenen van de handschetsen. Ik vond het ook heel fijn dat wij een mogelijkheid hadden om samen te kunnen werken. Samenwerking met Gerard heb ik als prettig en leerzaam ervaren.

Ik vind het lastig om te zeggen wat door ons beter gedaan had moeten worden en of wij op bepaalde punten zijn gefaald. Omdat het projectmatig werken voor ons volkomen nieuw was en omdat dit als een leerproces beschouwd moet worden vind ik dat het maken van fouten mag om er vervolgens van te kunnen leren.

  • Het arrangement Ontwerpdossier - PROJECT INNOVEREN is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteurs
    Leszek Kuczkowski
    Laatst gewijzigd
    2019-01-08 21:22:10
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    Dit dossier is gemaakt t.b.v. de Lerarenopleiding Technisch Beroepsonderwijs VMBO PIE Module Metaaltechniek. Het dossier bevat achtereenvolgende fasen van het ontwerpproces van het werkstuk genoemd “Perpetuum mobile-Eigenwijze Ventilator”.
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van