Additive manufacturing for spare parts production

Traditionally, spare parts are manufactured and then stocked in varying batch sizes, possibly requiring their long-term storage. Anticipating when and how many spare parts are needed is challenging, especially those who are featured by a lumpy, intermittent or irregular demand pattern. Demand forecasting and inventory optimization are the two main research directions pursued by companies and academia to rule this issue so far. The adoption of a different manufacturing technology for producing the spares with respect to the one used for the original goods has been rarely investigated. Given its unique characteristics, the introduction of Additive Manufacturing (AM) in the spare part production scenario has a huge impact in terms of supply chain management, warehousing policies, production planning and engineering design practices. This thesis aims at investigating the introduction of AM in the spare part production through a digital platform. The issue has been investigated from a technological point. The proposed platform implements a digital pipeline composed by four steps, delivered as services to the end-user. The first step is a 3D digitalization process aims at transferring the 3D geometry of the broken part into the digital word. Two main reverse engineering technologies were investigated for this purpose: the laser scanning and the photogrammetry. After the virtual restoration of the item, the 3D model should be prepared for being 3D printed. From a platform perspective, a robust and formal knowledge base is needed. An ontology for the Design for Additive Manufacturing has been developed for this purpose: it accommodates classes to represent the products, the AM process and also the rules for determining whether the product is manufacture. Furthermore, it also acts as a connector for the different software needed to generate the final g-code. The selection of a specific supplier and machine that fits with the process requirements is done with an auction-like process within the platform: the manufacturer that meets the requirements can propose a quotation that is then sent to the customer who selects the most appropriate. The part is then printed in the selected printing center and delivered to the customer. The effectiveness of the approach has been proven through 4 case studies that simulate the operative condition of the service: a car door handle, a fairing for a vintage motorbike, the windows switch of a car and the bracket of the floating disk brake caliper.

Storicamente, le parti di ricambio sono prodotte e poi stoccate secondo lotti di diversa dimensione, in modo da assicurare il loro immagazzinamento nel lungo periodo. Anticipare quando e quante parti di ricambio sono necessario è un processo oneroso, specialmente per quelle parti la cui domanda è intermittente e irregolare. La previsione della domanda e l’ottimizzazione delle politiche di immagazzinamento sono le due principali direzioni di ricerca perseguite da aziende e istituti di ricerca per affrontare il problema fin’ora. L’adozione di strategie di produzione differenti da quelle adottate per la produzione del bene originale sono state scarsamente investigate in letteratura. Date le sue caratteristiche uniche, l'introduzione di tecnologie di Aanifattura Mdditiva (AM) in uno scenario di produzione dei pezzi di ricambio ha un impatto enorme in termini di gestione della catena di approvvigionamento, politiche di immagazzinamento, pianificazione della produzione e pratiche di progettazione tecnica. Questa tesi si propone di studiare l'introduzione di AM nella produzione di pezzi di ricambio attraverso una piattaforma digitale. Il problema è stato studiato da un punto di vista tecnologico. La piattaforma proposta implementa una pipeline digitale composta da quattro fasi, fornite come servizi all'utente finale. Il primo passo è un processo di digitalizzazione 3D che mira a trasferire la geometria 3D della parte danneggiata nel mondo digitale. A tale scopo sono state studiate due principali tecnologie di reverse engineering: la scansione laser e la fotogrammetria. Dopo il ripristino virtuale del prodotto è necessario preparare il modello 3D per la stampa 3D. Dal punto di vista della piattaforma, è necessaria una base di conoscenze solida e formale. A questo scopo è stata sviluppata un'ontologia per il Design for Additive Manufacturing: essa ospita classi per rappresentare i prodotti, il processo AM ed anche le regole per determinare se il prodotto è stampabile. Inoltre, funge anche da connettore per i diversi software necessari per generare il codice macchina finale. La selezione di un fornitore e di una macchina che si adattano ai requisiti del processo viene effettuata con un processo basato sul concetto di “asta”, direttamente all'interno della piattaforma: il produttore che soddisfa i requisiti può proporre un preventivo che viene quindi inviato al cliente, il quale è in carico di selezionare il più appropriato. La parte viene quindi stampata nel centro di stampa selezionato e consegnata al cliente. L'efficacia dell'approccio è stata provata attraverso quattro casi di studio che simulano le condizioni operative del servizio: una maniglia di una portiera d’auto, una porzione carenatura per una moto d'epoca, l'interruttore dei finestrini di un'auto e la staffa flottante di una pinza freno.