Teil 1 Karsten Berndt Die Festlegung von Toleranzen ist eine alltägliche Aufgabenstellung des Konstrukteurs. Dabei bedingt die Berechnung nichtlinearer Toleranzketten einen erheblichen Zeitaufwand, wodurch meist auf deren genaue Berechnung vezichtet wird und Toleranzen stattdessen auf Basis von Erfahrungswerten festgelegt werden. Die vorgestellte Methodik zeigt Wege, wie schnell und frühzeitig im Konstruktionsprozess belastbare Aussagen zu Toleranzen komplexer Mechanismen getroffen werden können. Dazu werden sogenannte Sensitivitätsanalysen in der CAD-Software "Creo Elements" durchgeführt und ausgewertet. Das Ergebnis sind erste konkrete Toleranzfelder für alle den Mechanismus beschreibenden, geometrischen Abmessungen, welche sich als Startwerte für den anschließenden Toleranzsynthese/-analyseprozess eignen. Teil 2 Marko Ebermann Dieser zweite Vortragsteil behandelt eine mögliche Vorgehensweise zur Tolerierung von Geometrieabweichungen in der frühen Entwurfsphase am Beispiel des Koppelgliedes einer Verpackungsmaschine. Ausgangspunkt für die frühe Tolerierung bildet die im ersten Vortragsteil behandelte Sensitivitätsanalyse des Koppelgetriebes, welche Informationen zur Empfindlichkeit der Funktionsmaße bezüglich der Einhaltung der Schließmaßtoleranz lieferte. Die daraus abgeleitete Form- und Lagetolerierung des Koppelgliedes soll durch anschließende Toleranzamalysen die Tolerierung im Baugruppenkontext bestätigen und auf möglich Fertigungsverfahren abzielen, ohne die genaue Gestalt der Komponenten zu kennen. So können teure und zeitintensive Iterationsschleifen im Konstruktionsprozess minimiert und die Funktionalität frühzeitig gesichert werden.

Il y a peu, j’ai pu lire « qu’on pouvait considérer que les ponts romains de l’Antiquité, pouvaient être considérés comme inefficaces, au regard des standards actuels : ils utilisaient trop de pierre et énormément de travail était nécessaire à leur construction. Au fil des années, pour répondre à une problématique équivalente, nous avons appris à utiliser moins de matériaux et à réduire la charge de travail ». Ces problématiques nous les retrouvons aussi en conception mécanique où l’on essaye en continu de proposer des systèmes de plus en plus performants mais devant être conçus en moins de temps, étant moins cher à produire et fournissant des prestations au moins équivalentes à ce qui a déjà été conçu.Au cours d'un processus de conception classique, les concepteurs définissent une géométrie ne présentant aucun défaut puis, étant donné que les moyens de production ne permettent pas d’obtenir de telles pièces finales, ils spécifient les schémas de cotation définissant les écarts acceptables garantissant le bon fonctionnement du système. Seulement, cela est fait après avoir produit les dessins détaillés, c'est à dire trop tard. Pour répondre à cette problématique, je présenterai l’intégration, très tôt dans le cycle de vie de conception, d’un processus de validation optimisé, basé sur une maquette numérique directement en lien avec sa représentation fonctionnelle (maquette fonctionnelle), et permettant de valider des schémas de cotation 3D standardisés.Je décrirai d'abord ce que l’on entend par « maquette fonctionnelle » et surtout ce que cette nouvelle définition apporte en plus de la définition numérique. Une fois ce point abordé, je détaillerai les liens qui permettent d’avoir une unicité de l’information au sein de l’environnement de travail, tout comme les processus qui permettent de lier les représentations fonctionnelles et numériques.Ensuite, je détaillerai les processus basés sur ces concepts, et qui ont pour but de valider les choix qui sont effectués en avance de phase au niveau des schémas de cotation. Pour ce faire, je commencerai par présenter l’analyse au pire des cas (utilisant les modèles de domaines écarts notamment), permettant de garantir le bon fonctionnement de l’ensemble mécanique, dans le cas ou touts les écarts se retrouvent à l’intérieur des zones respectives (définies par les tolérances).Enfin, je finirai par introduire ce qu’une couche statistique, couplée à l’analyse au pire des cas utilisant les enveloppes convexes, peut amener dans le contexte industriel et notamment sous la contrainte temporelle. / Some time ago, I read "According to our current standards, we could consider Roman bridges of ancient times as ineffective: they used too much stone and hard work during construction. Over the years, in order to respond to similar problems, we learned how to use fewer materials and reduce the workload. These issues can also be found in the mechanical design field, where we continuously try to offer more efficient systems, but which have to be designed in less time, be cheaper to produce and provide benefits at least equivalent to what has already been designed.During a conventional design process, designers define the ideal geometries and - given that the machining tools cannot produce mechanical parts without any geometrical defects - specify the associated tolerancing schemes. These tolerancing schemes define acceptable geometrical deviations, thus providing a well-functioning system. Unfortunately this is done after having designed detailed parts and thus, too late.In order to address this problem, I will begin by introducing the integration, in the first design stages, of a new optimized validation process based on a Digital Mock-Up, directly linked to its functional representation (Functional Mock-Up), in order to validate 3D standardized tolerancing schemes. I'll first describe what is meant by "Functional Mock-Up" (FMU) and specify which information is added to the Digital Mock-Up (DMU). Once that is done, I will detail the relationship that leads to the uniqueness of the information and the processes linking the Functional and Digital representations.Then, I'll detail the processes based on these concepts, which aim to validate the tolerancing schemes, during the early design stages. To do this, I'll begin by introducing the worst case analysis (using the deviation domain model), which ensures the proper functioning of the mechanical system. Finally, I will end this by introducing the benefits that can be brought, by coupling a statistical layer to the worst case analysis (using the convex hull).

Doctor of Philosophy / Department of Industrial & Manufacturing Systems Engineering / Chih-Hang John Wu / Quality is a result of product design and production control. Product design must maximize the ability to function across variations in production and environment. Production control must monitor and maintain the key design characteristics necessary for the intended function. Failure to do so results in premature part failure and increased costs. This has occurred in the production of modern cross ties. By designing quality into the product and production process, performance is maximized. This research presents a methodology for incorporating quality into the product design and production process. For product design, a relationship between product performance and design parameters is established by modeling techniques. These models provide a means to redesign the product to maximize performance and to understand the sensitivity of the design to fluctuation in production and environment. These models also establish the key design parameters that are critical for sustaining quality. For production, a method of monitoring the key design parameters is presented that provides an affordable means of automated inspection. Automated inspection removes operator error from the inspection process and allows for greater sampling rates to be achieved. The methodology presented allows for a potential of 100% inspection to be achieved with minimal impact to production costs. The research is applied to the analysis and quality control of pre-stressing steel reinforcement for concrete cross-ties. This application provides an opportunity to test and verify the research findings on a real world problem. Novel automated 3D spatial analysis algorithms are presented. This research furthers the state of the art of performing Geometrical Dimensioning and Tolerancing (GD&T). A cost effective method of non-contact surface profiling was developed with high resolution and high density surface profiles. The combined research findings present a methodology of achieving quality by design.

Die quantitative Abschätzung des Einflusses geometrischer Abweichungen auf die Betriebseigenschaften von Maschinenelementen stellt für die Produktentwicklung einen wesentlichen Bestandteil zur Sicherung der Funktionalität dar. An einem radialen zylindrischen Gleitlager wird gezeigt, wie der Einfluss der Rundheit in Form eines Gleichdickes die Betriebsparameter verändert. Durch die Simulation mit ALP3T und die Auswertung der Ergebnisse mit MATLAB kann eine mögliche Vorgehensweise für den Umgang mit Formabweichungen bei der Entwicklung und der Qualitätssicherung aufgezeigt werden. Ferner gilt es andere geometrische Abweichungen (Position, Richtung) zu untersuchen, um die Funktionalität des Gesamtsystems sicherzustellen.

Teil 1 Karsten Berndt Die Festlegung von Toleranzen ist eine alltägliche Aufgabenstellung des Konstrukteurs. Dabei bedingt die Berechnung nichtlinearer Toleranzketten einen erheblichen Zeitaufwand, wodurch meist auf deren genaue Berechnung vezichtet wird und Toleranzen stattdessen auf Basis von Erfahrungswerten festgelegt werden. Die vorgestellte Methodik zeigt Wege, wie schnell und frühzeitig im Konstruktionsprozess belastbare Aussagen zu Toleranzen komplexer Mechanismen getroffen werden können. Dazu werden sogenannte Sensitivitätsanalysen in der CAD-Software "Creo Elements" durchgeführt und ausgewertet. Das Ergebnis sind erste konkrete Toleranzfelder für alle den Mechanismus beschreibenden, geometrischen Abmessungen, welche sich als Startwerte für den anschließenden Toleranzsynthese/-analyseprozess eignen. Teil 2 Marko Ebermann Dieser zweite Vortragsteil behandelt eine mögliche Vorgehensweise zur Tolerierung von Geometrieabweichungen in der frühen Entwurfsphase am Beispiel des Koppelgliedes einer Verpackungsmaschine. Ausgangspunkt für die frühe Tolerierung bildet die im ersten Vortragsteil behandelte Sensitivitätsanalyse des Koppelgetriebes, welche Informationen zur Empfindlichkeit der Funktionsmaße bezüglich der Einhaltung der Schließmaßtoleranz lieferte. Die daraus abgeleitete Form- und Lagetolerierung des Koppelgliedes soll durch anschließende Toleranzamalysen die Tolerierung im Baugruppenkontext bestätigen und auf möglich Fertigungsverfahren abzielen, ohne die genaue Gestalt der Komponenten zu kennen. So können teure und zeitintensive Iterationsschleifen im Konstruktionsprozess minimiert und die Funktionalität frühzeitig gesichert werden.

Actuellement, la presbytie peut être corrigée chirurgicalement à l’aide d’implants intraoculaires réfractifs ou diffractifs multifocaux (chirurgie endoculaire invasive et irréversible) ou en intracornéen avec une correction multifocale réfractive (correction laser irréversible, ou insertion d’un implant dans le stroma). L’objectif de ce travail est de développer un nouvel implant permettant de corriger la presbytie, qui allie l’innocuité et la réversibilité d’une correction intracornéenne, à l’efficacité du diffractif. Le design des profils optiques bifocaux a été permis grâce au développement d’outils de simulation optique. Les efficacités de diffraction sont calculées à partir de la propagation du champ électrique par spectre angulaire. La qualité optique est déterminée d’après les simulations de Fonction de Transfert de Modulation obtenues sous Zemax. Des simulations de rendu d’images permettent de visualiser les effets de différents profils envisagés. Les paramètres critiques du design optique sont déterminés. Le choix du matériau dépend des contraintes de biocompatibilité de l’implant et des techniques de fabrication. La solution retenue est un hydrogel à forte teneur en eau, couplé à une nouvelle architecture de l’implant. L’hydrogel est obtenu par polymérisation radicalaire de macromonomères difonctionnels de poly(éthylène glycol) de masses molaires de l’ordre de 8000 g.mol‐1 qui conduisent à des propriétés mécaniques et une perméabilité aux nutriments compatibles avec l’application. La réalisation, la stérilisation et la caractérisation optique de prototypes ont abouti à la preuve du concept d’un implant bifocal diffractif intracornéen / Presbyopia can be corrected with surgery by means of refractive or diffractive multifocal intraocular lenses (which imply an irreversible and invasive endocular surgery) or by intracorneal multifocal refractive correction (irreversible laser correction, or insertion of an intrastromal implant). This work aims at developing a new implant to correct presbyopia, which takes advantage of both the harmlessness and the reversibility of an intracorneal correction, and the efficiency of diffractive optics. The design of the bifocal optical profiles was based on the development of optical simulation tools. The diffractive efficiencies are calculated from the distribution of the electric field with the method of angular spectrum. The optical quality is determined according to the simulations of Modulation Transfer Function obtained with Zemax. Images simulations show the effects of the different profiles studied. The critical parameters of the optical design are also determined. The choice of the material depends on several constraints such as biocompatibility and techniques of manufacturing. The adopted solution relies on the used of an hydrogel with high water content and the design of a new implant architecture. The hydrogel is obtained by radical polymerization of difunctional macromonomers of poly(ethylene glycol) with molar masses around 8000 g.mol‐1, allowing mechanical properties and permeability to nutriments compatible with the application. The realization, the sterilization and the characterization of prototypes showed the proof of the concept of a diffractive bifocal intracorneal implant

Das Sächsische Geometriesymposium versteht sich als eine interdisziplinäre Plattform geometriebezogene Themen in wissenschaftlichen Beiträgen vorzustellen. Aktuelle Forschungsergebnisse zur eindeutigen Beschreibung der Funktion von Bauteilen, über die geometriebezogene Bewertung von Fertigungstechnologien bis zur Qualifizierung von Messfahren werden präsentiert und mit Blick auf zukünftige Herausforderungen der Produktionstechnik bezüglich Digitalisierung und prozessübergreifender Ansätze diskutiert. Das Symposium führt die lange Tradition des Internationalen Oberflächenkolloquiums in neuem Format und in akademischer Gemeinschaft der vier Lehrstühle in Chemnitz, Zwickau, Mittweida und Dresden im Fachgebiet Fertigungsmesstechnik in Sachsen fort. / The Saxon Symposium on Geometry is an interdisciplinary network for scientific researchers on geometry related subjects. Recent research on the specification of functional characteristics, the geometry related assessment of manufacturing technologies and measurement methods is discussed with regard to future challenges like digitization or global process approaches. The symposium carries on with the tradition in Saxony and the former International Colloquium on Surfaces. The new format takes place in cooperation of the four production metrology chairs of Saxony’s universities in Chemnitz, Zwickau, Mittweida and Dresden.

Face à la demande de plus en plus exigeante en terme de qualité et de coût de fabrication des produits manufacturés, la qualification et quantification optimal des défauts acceptables est primordial. Le tolérancement est le moyen de communication permettant de définir les variations géométriques autorisé entre les différents corps de métier intervenant au cours du cycle de fabrication du produit. Un tolérancement optimal est le juste compromis entre coût de fabrication et qualité du produit final. Le tolérancement repose sur 3 problématiques majeures: la spécification (normalisation d'un langage complet et univoque), la synthèse et l'analyse de tolérances. Nous proposons dans ce document de nouvelles méthodes d'analyse et de synthèse du tolérancement tridimensionnel. Ces méthodes se basent sur une modélisation de la géométrie à l'aide de l'outil domaine jeux et écarts développé au laboratoire. La première étape consiste à déterminer les différentes topologies composant un mécanisme tridimensionnel. Pour chacune de ces topologies est définie une méthode de résolution des problématiques de tolérancement. Au pire des cas, les conditions de respect des exigences fonctionnelles se traduisent par des conditions d'existence et d'inclusions sur les domaines. Ces équations de domaines peuvent ensuite être traduites sous forme de système d'inéquations scalaires. L'analyse statistique s'appuie sur des tirages de type Monte-Carlo. Les variables aléatoires sont les composantes de petits déplacements des torseur écarts défini à l'intérieur de leur zone de tolérance (modélisée par un domaine écarts) et les dimensions géométriques fixant l'étendue des jeux (taille du domaine jeux associé). A l'issue des simulations statistiques, il est possible d'estimer le risque de non-qualité et les jeux résiduels en fonction du tolérancement défini. Le développement d'une nouvelle représentation des domaines jeux et écarts plus adapté, permet de simplifier les calculs relatifs aux problématiques de tolérancement. Le traitement local de chaque topologie élémentaire de mécanisme permet d'effectuer le traitement global des mécanismes tridimensionnels complexes avec prise en compte des jeux. / As far as the demand in quality and cost of manufacturing increase, the optimal qualification and quantification of acceptable defects is essential. Tolerancing is the means of communication between all actors of manufacturing. An optimal tolerancing is the right compromise between manufacturing cost and quality of the final product. Tolerancing is based on three major issues: The specification (standardization of a complete and unequivocal language), synthesis and analysis of the tolerancing. We suggest in this thesis some new analysis and synthesis of the three-dimensional tolerancing. These methods are based on a geometric model define by the deviations and clearances domains developed on the laboratory. The first step consists in determining the elementary topology that composes a three-dimensional mechanism. For each kind of these topologies one resolution method is defined. In worst case, the condition of functional requirement respect is traduced by existence and inclusions conditions on the domains. Then these domains equations can be translated in inequalities system of scalar. The statistical analysis uses the Monte-Carlo simulation. The random variables are the small displacements components of the deviation torsor which is defined inside its tolerance area (model by a deviations domain) and the geometrics dimensions which set the extent of clearance (size of the clearance domain). Thanks to statistical simulation, it is possible to estimate the non-quality rate in regards to the defined tolerancing. The development of a new representation of clearances and deviations domains most suitable, allows us to simplify the calculation for tolerancing problems. The local treatment of elementary topology makes enables the global treatment of complex three-dimensional mechanisms with take into account of clearances.