Matthijs Langelaar benoemd tot hoogleraar Computational Design & Mechanics
Een implantaat dat ruggenwervels stevig op hun plek houdt én de patiënt genoeg bewegingsvrijheid geeft. Of een stevig én lichtgewicht systeem voor snellere productie van computerchips. Hoe vind je daar het beste ontwerp voor? Volgens Matthijs Langelaar kan je dit het beste overlaten aan algoritmes. Hij is sinds 5 juli benoemd tot hoogleraar aan de TU Delft en doet onderzoek naar algoritmes die deze en vele andere mechanische ontwerpproblemen oplossen.
“Algoritmes maken ontzettend verrassende ontwerpen”, zegt Matthijs Langelaar, werkzaam op de afdeling Precision and Microsystems Engineering. “Daar waar menselijke ontwerpers vaak uitgaan van eenvoudige vormen en beproefde concepten, kent een algoritme deze beperking niet. Dat geeft veel meer out of the box oplossingen.” Langelaar en collega’s maken algoritmes en software die ontwerpen creëren en bestaande ontwerpen optimaliseren. Dit noem je computational design. Langelaar past dit voornamelijk toe op mechanische onderdelen die gemaakt worden met 3D-printers.
“De opkomst van additive manufacturing, de industriële vorm van 3D-printen, brengt een grote verandering mee in de productie van mechanische onderdelen”, zegt Langelaar. “We kunnen ineens veel meer verschillende vormen maken, wat grote impact heeft op het ontwerpproces.” Een van de focusgebieden van Langelaar is dan ook om met computational design de vormvrijheid van industrieel 3D-printen maximaal te benutten.
Een ander voorbeeld is het ontwerp van een frame voor de Flying V, een nieuw type vliegtuig ontwikkeld door TU Delft. “De radicaal andere vorm van dit vliegtuig maakt een compleet herontwerp van een licht en stijf frame noodzakelijk.” Dit soort optimalisatieproblemen zijn bij uitstek geschikt om door een algoritme op te laten lossen. Daar waar een team ontwerpers misschien wel weken rekent aan het meest efficiënte ontwerp, kan een algoritme dat binnen een dag. Maar een competitie tussen algoritme en ontwerper wil Langelaar het niet noemen: “Ik zie het meer als een stimulerende samenwerking.”
Prof.dr.ir. M. Langelaar
Algoritme vs. ontwerper
Input van de ontwerper blijft noodzakelijk. Deze definieert het probleem en bepaalt de kaders waar het ontwerp aan moet voldoen. Langelaar doet veel onderzoek naar de maakbaarheid en functionaliteit van de gegenereerde ontwerpen. “Additive manufacturing kent naast vele voordelen ook een paar beperkingen.” Zo kan een onderdeel tijdens het printproces op bepaalde punten erg warm worden, wat de materiaalkwaliteit aantast. “Door met simulaties te voorspellen waar dit precies gebeurt, kan ons algoritme het ontwerp op die punten aanpassen om dit probleem te voorkomen.” Langelaar en zijn team ontwikkelen methoden die met steeds meer van dit soort ontwerpcriteria rekening houden.
Duurzaam ontwerp
Binnenkort gaat Langelaar ook onderzoeken hoe duurzaamheid meegenomen kan worden in het computational design-proces. Daar wordt volgens hem nog te weinig rekening mee gehouden. “Het is voor mij een logische stap om naast de productiefase ook te kijken naar het einde van de levenscyclus van objecten. Zijn ze bijvoorbeeld makkelijk uit elkaar te halen en te recyclen? En hoe kunnen we daar al in het ontwerp rekening mee houden?” Voor de verdere toekomst heeft Langelaar uitgebreidere plannen. “Onze algoritmes ontwerpen nu vooral enkele objecten uit één stuk. Als een volgende stap wil ik meer uitzoomen en technieken ontwikkelen om complete systemen automatisch te ontwerpen.”
Frame-ontwerp voor de Flying V
Ontwerp van ruggenwervelimplantaat
Ontwerp van positioneringssysteem voor productie computerchips
Wat ons ervan weerhoudt om de technologieën van de toekomst te realiseren, is ons vermogen om ze te ontwerpen.
Beste docent
Naast onderzoek doen geeft Langelaar al jaren met plezier onderwijs tijdens de bachelor en master van de studie Werktuigbouwkunde. En dat blijft niet onopgemerkt door studenten. Langelaar wordt namelijk elk jaar verkozen tot beste docent van het eerste jaar Werktuigbouwkunde. “Mijn aanpak is eigenlijk heel eenvoudig. Ik probeer colleges te geven die ik zelf ook boeiend had gevonden. Het geeft voldoening dat studenten dat waarderen.”
Langelaar studeerde zelf Werktuigbouwkunde aan de Universiteit Twente. Niet lang daarna kwam hij naar Delft voor zijn PhD. Hij werkt nu zo’n 22 jaar bij de afdeling PME, waarin hij als onderzoeker ook periodes in de Verenigde Staten, Zuid-Korea en Duitsland heeft doorgebracht. Sinds vorig jaar geeft hij leiding aan de Computational Design and Mechanics onderzoeksgroep.