Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt. / The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.

Le développement rapide des technologies de l’information dans l’usine du futur nécessite de repenser l’organisation des systèmes de production. Si l’importance des opérateurs est bien reconnue dans l’industrie 4.0, les facteurs humains restent cependant insuffisamment pris en considération dans les méthodes d’organisation. La simulation est parmi les méthodes largement utilisées pour étudier les systèmes de production et évaluer leurs performances. Toutefois, les approches de simulation existantes et les logiciels disponibles sont centrés sur les dimensions techniques de ces systèmes (machines, transport, règles de priorité, etc.). Malheureusement, les facteurs humains, particulièrement la fatigue des opérateurs, semble être très insuffisamment pris en compte dans les modèles de simulation. Dans ce contexte, la présente thèse vise à étudier dans quelle mesure la fatigue pourrait être intégrée dans les modèles de simulation des ateliers de production. Un cadre conceptuel combinant différents paradigmes de modélisation est ainsi proposé pour aider à concevoir de tels modèles. Le paradigme de simulation à événements discrets est utilisé pour décrire la dynamique de fonctionnement des ateliers. Le paradigme d’agent intelligent est utilisé pour modéliser les opérateurs et intégrer leur comportement de fatigue que nous avons modélisé en utilisant la simulation continue. Nous avons également utilisé la logique floue pour caractériser les facteurs de pénibilité, connus de façon imprécise, et leur impact sur l’évolution de la fatigue. Nous avons montré comment le cadre conceptuel proposé peut être mis en œuvre de façon assez générique avec le logiciel Anylogic. L’approche proposée a ensuite été utilisée pour aborder deux différents problèmes de production: le premier concerne l’affectation dynamique des opérateurs sur les machines et le deuxième est relatif à l’agencement de machines lors de la phase de conception des ateliers. Ceci nous a permis d’illustrer l’utilité de l’approche propose et montrer sa pertinence. L’analyse des résultats de simulation permet d’apporter des connaissances à la fois sur les performances des systèmes et sur les tendances d’évolution de la fatigue des opérateurs durant le travail. De tels résultats aident à réfléchir sur la façon dont laquelle nous pourrions améliorer les méthodes d’organisation et de gestion des ateliers pour contribuer à l’amélioration de leurs performances et au bien-être de leurs opérateurs. / The quick development of information technology in the factory of the future requires rethinking about the organization of production systems. Although the importance of the workers in the industry 4.0, human factors are still insufficiently taken into consideration in the organizational methods. Simulation is among the methods widely used to study production systems and evaluate their performances. However, the existing simulation approaches and the available softwares mainly focus on technical dimensions of these systems (machines, transport, priority rules, etc.). Unfortunately, human factors, particularly workers’ fatigue, seem to be very insufficiently taken into account in the simulation models. In this context, this thesis aims to study how the workers’ fatigue could be integrated into the simulation models of workshops. A framework combining different modelling paradigms is proposed to help in designing such models. Discrete event simulation is used to describe the dynamic of the working process in workshops. The paradigm of intelligent agent is used to model operators and integrate their behavior of fatigue, which has been modeled using continuous simulation paradigms. We have also used fuzzy logic in order to characterize the arduousness’s factors, known imprecisely, and impacts on the evolution of the workers’ fatigue. We have shown how the proposed framework can be implemented can be implemented generically enough with the software ANYLOGIC. The proposed approach has been then used to address two different production problems: the first one concerns the dynamic assignment of workers to machines and the second is related to the machines layout in the design stage of the system. This illustrated the utility of the proposed approach and showed its relevance. The analysis of the simulation results yields some knowledge on both the performance of the systems and on trends of the evolution the operators’ fatigue during the work. Such results help to thank on how to improve the methods of organization and management of the workshops so to contribute to the improvement of their performances and the well-being of their operators.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt. / The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.