Using model-based systems engineering for need-based and consistent support of the design process. - In: Proceedings of the Design Society, ISSN 2732-527X, Bd. 1 (2021), S. 3369-3378
Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an efficient approach to support product development in order to meet today's challenges. The MBSE approach includes methods and, above all, modelling approaches of the technical system with the aim of continuous use in development. The objective of this paper is to use the potential of the MBSE models and to show the added value of such models on the system level when used as a single source. With this objective, this paper presents a three-step approach to systematically identify and apply meaningful modelling approaches within MBSE, based on the needs during the development process. Furthermore, an FMEA example is included in this paper to elaborate the use of MBSE in the system failure analysis.
https://doi.org/10.1017/pds.2021.598
High-precision and large-stroke XY micropositioning stage based on serially arranged compliant mechanisms with flexure hinges. - In: Precision engineering, Bd. 72 (2021), S. 469-479
Compliant mechanisms are state of the art in micropositioning stages due to their many beneficial features. However, their design usually compromises between motion range, motion accuracy and design space, while mechanisms with distributed compliance are mostly applied. The further use of flexure hinges with common notch shapes strongly limits the stroke in existing high-precision motion systems. Therefore, this paper presents a high-precision compliant XY micropositioning stage with flexure hinges capable of realizing a motion range of ± 10 mm along both axes. The stage is based on a novel plane-guidance mechanism, which is optimized to realize a precise rectilinear motion of the coupler link while keeping the rotation angles of all hinges below 5˚. The XY motion is then achieved by coupling two of these mechanisms in a serial arrangement. Next, the synthesis of the monolithic XY stage is realized by replacing all revolute joints of the rigid-body model with flexure hinges using optimized power function notch shapes. Emphasis is also placed on the embodiment design of the stage and the actuator integration to minimize possible error sources. Finally, the quasi-static behavior of the compliant stage is characterized by a simulation with a 3D FEM model and by an experimental investigation of a prototype. According to the results, the developed compliant XY micropositioning stage achieves a maximum positioning deviation of less than 10 [my]m in both axes and a yaw error of less than 100 [my]rad over a working range of 20 mm × 20 mm with a comparably compact design of the compliant mechanism of 224 mm × 254 mm.
https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2021.02.001
Modelling and use of SysML behaviour models for achieving dynamic use cases of technical products in different VR-systems. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (XXII, 241 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 38)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Digitale Methode und Modellen ermöglichen den Produktdesignern eine frühzeitige Evaluierung des Produkts, damit sie das Verhalten des Produkts und seine Interaktionen mit benachbarten Systemen in seinen späteren Lebensphasen besser verstehen können. Virtual Reality (VR) ist eine Technologie, die zum frühen Evaluierungsprozess beitragen kann, indem spätere Lebenssituationen eines Produkts schon in der Entwurfsphase angezeigt werden können. Die Anwendung von VR in der Industrie ist jedoch derzeit aufgrund des hohen Modellaufbereitungsaufwands und der limitierten Wiederverwendbarkeit vorhandener Modelle begrenzt. Daher befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Methode, die die frühzeitige Evaluierung des Produkts innerhalb von VR und die Verwendung von VR im Produktentwicklungsprozess erleichtern kann. Diese Methode befasst sich mit dem Prozess der Entwicklung allgemeiner Verhaltensbeschreibungen zur Verwendung in VR, die auch wiederverwendet werden können, um dynamische Anwendungsfälle eines Produkts in den verschiedenen VR-Systemen abzubilden. Der Fokus liegt auf der Reduzierung des gesamten Aufbereitungsaufwands von VR-Modellen und auf das Verwirklichen einer hohen Wiederverwendbarkeit bereits vorhandener Modelle. Die Kernkomponenten der Arbeit bestehen in der Verwendung von Model Based Systems Engineering (MBSE) zur Entwicklung allgemeingültiger Verhaltensmodellbeschreibungen, ihrer Verwendung beim Erstellen verschiedener Anwendungsfälle eines Produkts in einem VR-System und ihrer Wiederverwendung in den verschiedenen VR-Systemen. Die Systems Modeling Language (SysML) wird zur Beschreibung der Verhaltensmodelle verwendet, der Modellierungsprozess wird systematisch beschrieben und auch in Form allgemeiner Anwendungsrichtlinien für die spätere Verwendung zusammengefasst. Darüber hinaus wird eine dedizierte Physik-Engine verwendet, um die physikalischen Berechnungen für virtuelle Objekte in VR durchzuführen, welche auch mit SysML integriert ist. Diese SysML-Verhaltensmodelle zusammen mit der Physik-Engine bilden eine echtzeitfähige Produktanwendungssimulation in VR. Dieselben SysML-Verhaltensmodelle werden für verschiedene VR-Systeme verwendet, um Echtzeitsimulationen abzubilden und ihre Wiederverwendung zu validieren. Zwei VR-Prototypen wurden entwickelt, um die Wirksamkeit und Verwendung der vorgestellten Methoden zu demonstrieren. Schließlich wurde einer der Prototypen einer empirischen Untersuchung unterzogen, die mithilfe von Experten aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt wurde.
https://doi.org/10.22032/dbt.47179
Characterization of thin flexure hinges for precision applications based on first eigenfrequency. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 15-24
Flexure hinges with small cross-section heights are state of the art in numerous precision engineering applications due to their capability for smooth and repeatable motion. However, the high sensitivity to manufacturing influences represents a challenge. We propose a characterization method for flexure hinges based on the measurement of the free oscillation, to enable the consideration of manufacturing influences in the early stages of the design process. Three semi-circular flexure hinges with different cross-section heights and highly accurate geometry were investigated experimentally to compare them with three theoretical modeling approaches. The results for the three flexure hinge specimens showed small deviations to the predicted values from the models which is in agreement with the results of dimensional measurements. With each modeling approach, a deviation of the minimal notch height from the nominal value can be calculated. This value, in turn, can be used as manufacturing allowance for subsequent manufacturing of compliant mechanisms using the same manufacturing method. An exemplary compliant parallel-crank mechanism proves the applicability of the concept to compliant mechanisms with multiple flexure hinges.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_2
Auswahl robuster Wirkprinzipien auf Basis einer Erweiterung des CPM/PDD-Ansatzes. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (XV, 256 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 36)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Ein wesentlicher Wettbewerbsvorteil eines Unternehmens besteht darin, Produkte zu entwickeln, welche den Anforderungen des Kunden gerecht werden. Zu diesen Anforderungen zählt, dass Produkte während ihrer Nutzung nicht ausfallen. Statistiken zeigen allerdings, dass Ausfälle bei neu entwickelten Produkten trotz der Anwendung von Methoden zur Fehlervermeidung in der Konstruktion zunehmen. Einige Autoren sehen mangelnde Robustheit gegenüber Störgrößen als Hauptursache für die heutigen Ausfälle von Produkten. Autoren aus der Konstruktionswissenschaft geben in diesem Zusammenhang an, dass sich Einflüsse durch Störgrößen am besten mit der Auswahl von Wirkprinzipien vermeiden lassen, die invariant oder innozent gegenüber Störgrößen sind bzw. Störgrößen kompensieren. Die vorliegende Arbeit analysiert zunächst den heutigen Auswahlprozess für Wirkprinzipien. Danach wird das heutige Vorgehen zur methodischen Vermeidung von Ausfällen im Konstruktionsprozess erläutert. Darüber hinaus wird ein Konstruktionsprinzip vorgestellt, das den Einfluss von Störgrößen auf Produkte reduzieren kann. Aufbauend auf den Erkenntnissen entwickelt die vorliegende Arbeit Referenzprozesse zur Ermittlung störgrößenbedingter Fehlerursachen und zur Definition von Vermeidungsmaßnahmen für diese. Die Referenzprozesse basieren auf einer Erweiterung des CPM/PDD-Ansatzes. Aufbauend auf den Referenzprozessen entwickelt die Arbeit eine Methode, die eine Bewertung und Auswahl von Wirkprinzipien in der Konzeptphase nach ihrer Robustheit erlaubt. Es wurde nachgewiesen, dass bereits in der Konzeptphase Informationen vorliegen, die einen Robustheitsvergleich von Wirkprinzipien möglich machen. Ebenfalls wurden Kriterien aufgezeigt, die für einen Robustheitsvergleich von Wirkprinzipien in der Konzeptphase des Konstruktionsprozesses herangezogen werden können. Mit einem Anwendungsbeispiel wurde nachgewiesen, dass die neue Methode in der Lage ist, Wirkprinzipien nach ihren Robustheiten in der Konzeptphase zu bewerten und auszuwählen.
https://doi.org/10.22032/dbt.45602
Untersuchung der Absicherung von Montageprozessen am Beispiel von Produktionsanläufen in der Automobilindustrie. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (XIV, 188 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 35)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Absicherungsmaßnahmen werden im Produktentwicklungsprozess zur Überprüfung bestimmter Eigenschaften und Funktionen eines Konstruktionsstands eingesetzt. So sollen mögliche Abweichungen von den Zielvorgaben frühzeitig erkannt und Erkenntnisse für die weiteren Entwicklungsschritte gewonnen werden. Die Ergebnisse der Absicherung können auch als Indikatoren für die Reife des Produkts, der Fertigungsprozesse oder des Projekts dienen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung eines Vorgehens zur Analyse von Verbesserungspotentialen in der Absicherung. Der Fokus liegt dabei auf der Absicherung der Montage. Das Vorgehen wird anhand einer Fallstudie in der Automobilentwicklung dargestellt. Kern der Untersuchung ist die Identifikation der für die Montage relevanten Produkt- und Prozesseigenschaften und die Analyse spät im Entwicklungsprozess erkannter Zielabweichungen. Diese werden hier als Indikator für Verbesserungspotentiale in der Absicherung verwendet. Für die notwendigen Analyseschritte wurden im Rahmen der Fallstudie sehr große Mengen an Informationen aus der Dokumentation abgeschlossener Produktentwicklungsprojekte verarbeitet. Daher wurde der Einsatz von Text-Mining-Werkzeugen untersucht und in das erarbeitete Vorgehen zur Identifikation von Verbesserungspotentialen integriert.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000681
Smartphone as a stand-alone device for rendering, visualization and tracking for use during product development in virtual reality (VR). - In: ASME digital collection, (2019), DETC2019-97173, V001T02A079, 10 pages
https://doi.org/10.1115/DETC2019-97173
Toolbox for user-centered specification of VR systems. - In: ASME digital collection, (2019), DETC2019-97340, V001T02A053, 11 pages
https://doi.org/10.1115/DETC2019-97340
Modellbasierter Systems Engineering Ansatz zur effizienten Aufbereitung von VR-Szenen. - In: Entwerfen Entwickeln Erleben in Produktentwicklung und Design 2019, Band 2, (2019), S. 309-321
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-342089
15 Jahre Digitale Mechanismen- und Getriebebibliothek. - In: Tagungsband 13. Kolloquium Getriebetechnik, (2019), S. 3-18