Development of methods and tools for the design and operation of manufacturing networks for mass customisation

Abstract

The growing need towards higher product variety greatly affects the design and operation of manufacturing systems. The emerging mass customisation paradigm can act as a solution to these needs. Yet, there is a lack of proper tools to support industrial implementations of mass customisation. One of the inadequately supported activities is the design and planning of dynamic manufacturing network configurations and their reconfiguration to adapt to changing market demands. This problem is challenging and planning teams can no longer rely on experience to yield accurate and effective solutions. Efficient decision-support systems are needed to achieve variety in cost- and time-effective ways. These challenges are tackled in this thesis through the development of a method for supporting the design and operation of manufacturing networks using an intelligent multi-objective simulation-based decision-making approach. The method is developed into the web-based “Design and Planning of Manufacturing Networks” - DPMN© platform that consists of: - the “User Adaptive Design System (UADS)”, which provides user-friendly design tools to allow online constrained component customisation and visualisation - the “Decentralised Manufacturing Platform (DEMAP)” that generates, evaluates, and proposes manufacturing and transportation network alternatives for the customised products designed and ordered by the customerswhich focus on supporting companies that offer mass customised or personalised products and services in two ways respectively: 1) by augmenting the engagement of the customers in the design phase of customised products and 2) by enabling the Original Equipment Manufacturers (OEMs) to efficiently design and reconfigure manufacturing networks through the exploitation of a decentralised manufacturing concept. The decision-making process is enhanced with the developed Intelligent Search Algorithm (ISA). The ISA, during the evaluation and selection of the manufacturing network alternatives, considers multiple conflicting and user-defined criteria, including production and transportation cost and time, flexibility, quality, reliability, dynamic complexity, flexibility, annual production volume, and environmental impact. The performance of the ISA is investigated through robust engineering techniques and through a probabilistic study. Moreover, the impact of demand volatility to the operational performance of networks is examined by simulation. Discrete event simulation models are developed to assess the performance of different network topologies under diversified product demand. The industrial applicability of the method and platform is validated in two distinct pilot cases developed in collaboration with two EU OEMs: a car-maker and a producer of CNC robotic laser cutting machine.

Η τάση για ολοένα αυξανόμενη ποικιλία προϊόντων επηρεάζει σημαντικά το σχεδιασμό και τη λειτουργία των συστημάτων παραγωγής. Το ευρέως διαδεδομένο πρότυπο της μαζική εξατομίκευσης προϊόντων προσφέρει λύσεις σε αυτές τις ανάγκες. Ωστόσο, η έλλειψη κατάλληλων εργαλείων για την υποστήριξη πραγματικών βιομηχανικών εφαρμογών της μαζικής εξατομίκευσης είναι εμφανής. Μια τέτοια εφαρμογή είναι ο σχεδιασμός δικτύων παραγωγής και ο επανασχεδιασμός τους ώστε να προσαρμοστούν σε διαφορετικά προφίλ ζήτησης προϊόντων. Η επίλυση τέτοιων προβλημάτων είναι αδύνατον να επιτευχθεί αποδοτικά με βάση μόνο την εμπειρία των ομάδων σχεδιασμού και προγραμματισμού δικτύων. Νέοι τρόποι για τον εντοπισμό αποδοτικών δικτύων παραγωγής σε γρήγορο χρόνο είναι απαραίτητοι ώστε να επιτευχθεί η μείωση στους χρόνους παράδοσης. Με σκοπό την υποστήριξη αποφάσεων σχεδιασμού και λειτουργίας δικτύων παραγωγής μέσω, η διατριβή αυτή προτείνει μια έξυπνη πολύ-κριτηριακή διαδικασία λήψης αποφάσεων που βασίζεται σε τεχνολογίες προσομοίωσης. Με βάση τη μέθοδο αυτή, αναπτύσσεται η πλατφόρμα λογισμικού “Design and Planning of Manufacturing Networks” - DPMN© που αποτελείται από τα:- “User Adaptive Design System (UADS)” που επιτρέπει στον πελάτη να εξατομικεύσει (υπό περιορισμούς) ένα προϊόν online- “Decentralised Manufacturing Platform (DEMAP)” που επιτρέπει τη δημιουργία, αξιολόγηση, και επιλογή εναλλακτικών δικτύων παραγωγής και μεταφοράς εξατομικευμένων προϊόντωνΗ μέθοδος και η πλατφόρμα λογισμικού επικεντρώνονται στην υποστήριξη εταιριών που προσφέρουν εξατομικευμένα προϊόντα/υπηρεσίες με δύο τρόπους: 1) υποστηρίζοντας την ενσωμάτωση των πελατών στον σχεδιασμό προϊόντων και 2) επιτρέποντας στους κατασκευαστές να σχεδιάσουν / επανασχεδιάσουν αποδοτικά αποκεντρωμένα δίκτυα παραγωγής. Η διαδικασία λήψης αποφάσεων υποστηρίζεται από έναν Έξυπνο Αλγόριθμο Αναζήτησης, ο οποίος δημιουργεί και αξιολογεί εναλλακτικούς σχεδιασμούς δικτύων ενάντια σε πολλαπλά κριτήρια όπως: κόστος και χρόνος παραγωγής και μεταφορών, ευελιξία, ποιότητα, αξιοπιστία, δυναμική πολυπλοκότητα, ετήσιο όγκο παραγωγής, και περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Η απόδοση του αλγόριθμου διερευνάται μέσω στατιστικής ανάλυσης και σχεδιασμού πειραμάτων. Επίσης, μέσω προσομοίωσης διακριτών γεγονότων, διερευνάται ο αντίκτυπος που έχουν τα μεταβαλλόμενα προφίλ ζήτησης προϊόντων στη λειτουργία των δικτύων παραγωγής. Τέλος, διερευνάται η πρακτική εφαρμογή της μεθόδου και της πλατφόρμας σε δυο πιλοτικά σενάρια πού αναπτύχθηκαν σε συνεργασία με δυο Ευρωπαϊκές εταιρίες: έναν κατασκευαστή αυτοκίνητων και μια εταιρία κατασκευής εργαλειομηχανών CNC.