Module management in assembly systems Pay-per-use business models

The manufacturing system industry is going through some systematical changes, to respond to the mass customization trend and the increasing interest in the environment and in the circular economy. One of the trends that are appearing is servitization, hence the transformation of the core business of companies from the selling of product to service providing. Different business models, or, as they are called in the industry, product-service systems have been theorized and developed by research and companies. Among these, Pay-Per-Use (PPU) is particularly interesting in the Machine Tool sector. Through PPU, the company does not sell anymore its manufacturing systems, but it lends them to the customer, and it is paid based on the actual production, on a fixed period based. To implement this business model, the company must change its operations, from the financial activities to the system design and configuration. When the systems are returned at the end of the contracts, they must be disassembled and for each subsystem, module, the future operations, namely technical and quality upgrades, reconfigurations and disposing, must be planned. The objective of this dissertation is the modeling of the returned module management and the definition of some policies, to provide the best long term economic value. The module management problem is characterized by high uncertainty in the return quality of the modules and in the demand quality, quantity, and timing of modules in each system configurated. Both single module models and dynamics models are developed to respond to different aspect of the problem. The problems resulted in mixed integral non linear programming optimizations, solved through continuous approximation of the decision variables, although in a case it was not possible, and it was solved through a genetic algorithm. Successively, these policies are tested mathematically through some numerical examples. Furthermore, the case of Cosberg, an Italian company manufacturing assembly system intending to implement Pay-per-use, is presented. The models developed are only a first approach to the problems, and more comprehensive models need to be developed in the future, considering the whole set of modules managed by the company and the future demand.

Le aziende nell’industria dell’automazione dei sistemi industriali stanno attuando cambiamenti sistematici per rispondere alle tendenze di customizzazione di massa e al crescente interesse nei cambiamenti climatici e nell’economia circolare. In merito a questi cambiamenti una delle principali tendenze che si è sviluppata è la servitizzazione, ovvero la trasformazione dell’attività principale dell’azienda dalla vendita di prodotti alla fornitura di servizi. Diversi modelli di business, o come sono chiamati nell’industria sistemi prodotto-servizio sono stati teorizzati e sviluppati in ambito di ricerca e aziendale. Tra questi, il Pay-Per-Use (PPU), tradotto in italiano come “paga per l’uso”, risulta di particolare interesse nel settore dell’automazione industriale. Grazie a questo modello di business, l’impresa non vende più i suoi sistemi manifatturieri, ma li fornisce temporaneamente ai suoi clienti, ed è remunerata di conseguenza al variare della produzione reale, scandita da intervalli fissi nel tempo. Per implementare il PPU, l’azienda deve trasformare il modo in cui svolge le sue attività interne, dalle attività finanziarie fino al modo in cui il sistema è progettato. Al termine del contratto, quando i sistemi saranno riconsegnati al produttore, dovranno essere disassemblati, e per ogni sottosistema, indicato come modulo, le operazioni future dovranno essere pianificate, in funzione dello stato dei moduli e della futura richiesta di essi. Le possibili operazioni effettuabili sul modulo comprendono aggiornamenti tecnici e di qualità, riconfigurazioni e smantellamenti. L’obiettivo di questo elaborato di tesi è la modellazione di un metodo per la gestione dei moduli in ritorno e la definizione di alcune politiche affinché si possa ottenere il più alto valore economico a lungo termine. Il problema della gestione dei moduli è caratterizzato, in merito ai moduli in ritorno da un grado di incertezza elevato nella qualità degli stessi, mentre, per quanto concerne la configurazione di nuovi sistemi, da alta incertezza dipendente dalla qualità, quantità e tempistica di richiesta dei moduli. In merito a ciò, in questa tesi saranno sviluppati modelli relativi ad un singolo modulo e modelli dinamici per rispondere a diversi aspetti dello stesso problema. Tramite questi problemi si è giunti in ottimizzazioni miste integrali non lineari, risolte tramite un’approssimazione continua delle variabili decisionali, nonostante un singolo caso in cui il modello analizzato è stato risolto tramite algoritmi genetici. Questi modelli e politiche saranno poi testati matematicamente attraverso alcuni esempi numerici. Inoltre, è stato presentato il caso di Cosberg, azienda italiana produttrice di linee di assemblaggio che prevede di implementare il modello di business Pay-per-use. I modelli sviluppati rappresentano un primo avvicinamento al problema di gestione dei moduli, e in futuro ci sarà necessità di sviluppare modelli più comprensivi, considerando l’intero set di moduli gestito dall’azienda e l’incertezza nella domanda futura.