Introducing innovations in the eyewear development process

This thesis arises from a collaboration between the university and an eyewear company, with the purpose to develop methods and tools to support the development cycle of cellulose-acetate frames. The main problem in eyewear is the wide product variability, which negatively impacts on the industrial efficiency. For example, the fulfilment of some frame angles (i.e., face-form, pantoscopic, and opening-temple angles) is fundamental to ensure both the functionality and the aesthetics of a frame. The continuous variability of these values and, of the frame geometries, together with the lack of knowledge about how this variability affects the design and manufacturing processes of the frame, make difficult the fulfilment of the settled requirements: the final shape of the product (and consequently, the final value of the frame-angles) is not easily predictable. The company overcomes this issue through redesign cycles and reiterated tunings of the manufacturing process until the values — set for these angles — are satisfied. Also, the absence of reconfigurable tools — typical for mass-customisation manufacturing — induces the company to design, manufacture, and finally store ad-hoc tools for each frame-model, generating a waste of resources. The thesis aimed to find efficient solutions for addressing the following two industrial problems: first, avoiding design-and-manufacturing iterations to fulfil the settled design requirements of frames; second, introducing reconfigurable tools for the manufacturing of spectacle frames. A systematic approach was needed to deal with these issues: first, the industrial context had to be analysed, identifying the causes of the problems; then proper strategies had to be developed; finally, tests had to be carried out to verify the solution effectiveness. A formalisation of the current industrial practice was first performed, to better contextualise the problems and understand the eyewear peculiarities. This step was carried out through personnel interviews in the company, modelling the entire development process of acetate frames through the IDEF0 methodology. The problem causes were identified by a systematic acquisition of data through an automatic inspection system, specifically developed to acquire the values of the frame-angles during different production phases. The acquired data highlighted problems occurring both during the design and manufacturing processes (especially during the thermoforming phase of spectacle fronts, named “meniscatura”) of frames. Consequently, solutions had to be developed considering both aspects. Concerning the design process, a knowledge formalisation was performed to combine aesthetic and engineering specifications, analysing how the frame angles modify the design and generating an abstract model of the frame (i.e., an archetype) based on mathematical relations. This abstract model was finally translated into a design tool for stylists and engineers (i.e., a spreadsheet). With reference to the manufacturing process, tests were performed to investigate the possibility to manufacture frames with higher precision. The most important settings of the “meniscatura” phase (i.e., the front thermoforming) were identified through experimental tests, to ensure the correspondence between designed-and-manufactured frames. The effectiveness of the developed approaches was tested with the company, designing and manufacturing new frame models: the predictability of the frame shapes — like as the frame angles — were verified, confirming the validity of the two implemented approaches and, solving the first industrial problem. The second industrial problem was addressed introducing reconfigurable manufacturing tools. Indeed, on the basis of the previously acquired knowledge and taking as an example the meniscatura mould, a new strategy was proposed to transform a standard thermoforming mould into a reconfigurable one, using ad-hoc and re-usable modules. In addition, all ad-hoc parts have been automatically designed through dedicated scripts. Finally, the new mould configuration was tested in a virtual environment. All research activities demonstrated that fostering a strong product knowledge formalisation — also through mathematical relations — could be a valuable strategy to better manage the development of new products. It is noted that this strategy is effective also in those industrial fields characterised by creativity and wide product variability.

Questa tesi nasce dalla collaborazione tra l’università ed un’azienda dell’occhialeria, con lo scopo di sviluppare metodi e strumenti per supportare il ciclo di sviluppo di montature in acetato di cellulosa. Il principale problema nell’occhialeria è l’ampia variabilità di prodotto, che influenza negativamente l’efficienza industriale. Ad esempio, il soddisfacimento di alcuni angoli della montatura (ovvero l’angolo frontale, pantoscopico e di apertura aste) è fondamentale per garantire sia la funzionalità che l’estetica di una montatura. La continua variabilità di questi valori e delle geometrie della montatura, insieme con la mancanza di conoscenza su come questa variabilità influenzi i processi di progettazione e fabbricazione della montatura, rendono difficile il rispetto dei requisiti fissati: la forma finale del prodotto (e conseguentemente, i valori finali degli angoli della montatura) non è facilmente prevedibile. L’azienda supera questa problematica attraverso cicli di riprogettazione e reiterati messe a punto del processo di manifattura, finché i valori — fissati per questi angoli — sono soddisfatti. Inoltre, l’assenza di strumenti riconfigurabili — tipici della fabbricazione per la customizzazione di massa — induce l’azienda a progettare, fabbricare ed infine immagazzinare strumenti ad-hoc per ogni modello di montatura, generando uno spreco di risorse. La tesi ambisce a trovare soluzioni efficienti per affrontare i due seguenti problemi industriali: primo, evitare le iterazioni di progettazione e fabbricazione per soddisfare i requisiti di progettazione fissati delle montature; secondo, introdurre strumenti riconfigurabili per la fabbricazione di montature di occhiali. Un approccio sistematico è stato necessario per affrontare queste problematiche: inizialmente, si è dovuto analizzare il contesto industriale, identificando le cause dei problemi; quindi si sono dovute sviluppare strategie appropriate; infine si sono effettuati prove sperimentali per verificare l’efficacia della soluzione. Si è eseguita una formalizzazione della prassi industriale corrente per meglio contestualizzare il problema e comprendere le peculiarità dell’occhialeria. Questo passo è stato portato a termine mediante interviste al personale aziendale, modellando l’intero processo di sviluppo delle montature in acetato attraverso la metodologia IDEF0. Le cause del problema sono state identificate attraverso un’acquisizione sistematica dei dati mediante un sistema d’ispezione automatico, sviluppato specificatamente per acquisire i valori degli angoli della montatura durante le diverse fasi produttive. I dati acquisiti hanno evidenziato problemi presenti sia durante la fase di progettazione che di fabbricazione (specialmente durante la fase di termoformatura dei frontali, chiamata “meniscatura”) delle montature. Conseguentemente, le soluzioni dovevano essere sviluppate considerando entrambi gli aspetti. Riguardo il processo di progettazione, si è svolta una formalizzazione della conoscenza per coniugare specifiche estetiche e ingegneristiche, analizzando come gli angoli della montatura modifichino la progettazione e generando un modello astratto della montatura (ossia un archetipo) basato su relazioni matematiche. Questo modello astratto è stato infine convertito in uno strumento di progettazione per stilisti ed ingegneri (ovvero, un foglio di calcolo). In riferimento al processo di fabbricazione, sono state eseguite prove per investigare la possibilità di fabbricare montature con più alta precisione. Le impostazioni più importanti della fase di meniscatura (cioè la termoformatura dei frontali) sono state identificate attraverso prove sperimentali, al fine di garantire la corrispondenza tra le montature progettate e fabbricate. L’efficacia dei nuovi approcci sviluppati è stata sperimentata con l’azienda, progettando e fabbricando dei nuovi modelli di montatura: la prevedibilità delle forme della montature — così come degli angoli della montatura — è stata verificata, confermando la validità dei due approcci implementati e risolvendo il primo problema industriale. Il secondo problema industriale era indirizzato ad introdurre strumenti di fabbricazione riconfigurabili. Infatti, sulla base delle conoscenze precedentemente acquisite e prendendo come esempio lo stampo di meniscatura, è stata proposta una nuova strategia per trasformare uno stampo di termoformatura tradizionale in uno riconfigurabile, sfruttando moduli ad-hoc e riutilizzabili. Inoltre a ciò, tutte le parti ad-hoc sono automaticamente progettate attraverso script dedicati. Alla fine, la nuova configurazione dello stampo è stata verificata in un ambiente virtuale. Tutte le attività di ricerca hanno dimostrato che incoraggiare una forte formalizzazione della conoscenza — anche attraverso relazioni matematiche — potrebbe essere una valida strategia per gestire meglio lo sviluppo di nuovi prodotti. Va osservato che questa strategia è efficace anche in quei settori industriali caratterizzati da creatività ed un’ampia variabilità di prodotto.