Studio del ciclo di assemblaggio attraverso l'applicazione di algoritmi euristici e sua applicazione al montaggio di una bicicletta elettrica

Il presente elaborato si propone di raccogliere e dettagliare il lavoro svolto presso l’azienda Motori Minarelli durante il tirocinio curricolare. Minarelli ha dato l’avvio ad un nuovo progetto di nome ISSIMO e conseguentemente si è trovata ad approcciare una nuova tipologia di prodotto da assemblare attraverso linea di montaggio: una bicicletta elettrica. Il compito dell’azienda bolognese era quello di progettare e implementare la linea produttiva per la commercializzazione dell’e-bike. Al giorno d’oggi una buona progettazione del ciclo produttivo è alla base per la generazione di prodotti eccellenti e di qualità, per questo il ciclo di assemblaggio è stato definito tramite l’applicazione di una serie di algoritmi euristici di line balancing, per definire la struttura della linea di montaggio e la sequenza di produzione. Si è divisa la trattazione in quattro parti distinte: la prima parte è una analisi storica che parte dalla nascita della catena di montaggio sino alla teoria degli algoritmi di bilanciamento; la seconda parte permette di calarsi nel contesto aziendale; la terza parte dettaglia il progetto ISSIMO nei dettagli e la quarta parte, quella sperimentale, mostra l’applicazione degli algoritmi alla linea di assemblaggio in esame.

Crowd-shipping and autonomous vehicles: an optimization model for the last mile delivery

Il seguente elaborato propone un modello innovativo per la gestione della logistica distributiva nell’ultimo miglio, congiungendo l’attività di crowd-shipping con la presenza di Autonomous Vehicles, per il trasporto di prodotti all’interno della città. Il crowd-shipping utilizza conducenti occasionali, i quali deviano il loro tragitto in cambio di una ricompensa per il completamento dell’attività. Dall’altro lato, gli Autonomous Vehicles sono veicoli elettrici a guida autonoma, in grado di trasportare un numero limitato di pacchi e dotati di un sistema di sicurezza avanzato per garantire la fiducia nel trasporto. In primo luogo, nel seguente elaborato verrà mostrato il modello di ottimizzazione che congiunge i due attori principali in un unico ambiente, dove sono presenti un numero determinato di prodotti da muovere. Successivamente, poiché il problema di ottimizzazione è molto complesso e il numero di istanze valutabili è molto basso, verranno presentate due soluzioni differenti. La prima riguarda la metaeuristica chiamata Ant System, che cerca di avvicinarsi alle soluzioni ottime del precedente modello, mentre la seconda riguarda l’utilizzo di operatori di Local Search, i quali permettono di valutare soluzioni per istanze molto più grandi rispetto alla metaeuristica. Infine, i due modelli euristici verranno utilizzati per analizzare uno scenario che cerca di riprodurre una situazione reale. Tale scenario tenta di allocare strategicamente le risorse presenti e permette di dimostrare che gli Autonomous Vehicles riescono a supportare gli Occasional Drivers anche quando il numero di prodotti trasportabili è elevato. Inoltre, le due entità proposte riescono a soddisfare la domanda, garantendo un servizio che nel futuro potrebbe sostituire il tradizionale sistema di logistica distributiva last mile.

Smart freight transport in urban areas: a crowd-shipping model using autonomous vehicles

L'avanzamento dell'e-commerce e l'aumento della densità abitativa nel centro città sono elementi che incentivano l'incremento della richiesta merci all'interno dei centri urbani. L'attenzione all'impatto ambientale derivante da queste attività operative è un punto focale oggetto di sempre maggiore interesse. Attraverso il seguente studio, l'obiettivo è definire attuali e potenziali soluzioni nell'ambito della logistica urbana, con particolare interesse alle consegne dell'ultimo miglio. Una soluzione proposta riguarda la possibilità di sfruttare la capacità disponibile nei flussi generati dalla folla per movimentare merce, pratica nota sotto il nome di Crowd-shipping. L'idea consiste nella saturazione di mezzi già presenti nella rete urbana al fine di ridurre il numero di veicoli commerciali e minimizzare le esternalità negative annesse. A supporto di questa iniziativa, nell'analisi verranno considerati veicoli autonomi elettrici a guida autonoma. La tesi è incentrata sulla definizione di un modello di ottimizzazione matematica, che mira a designare un network logistico-distributivo efficiente per le consegne dell'ultimo miglio e a minimizzare le distanze degli attori coinvolti. Il problema proposto rappresenta una variante del Vehicle Routing Problem con time windows e multi depots. Il problema è NP-hard, quindi computazionalmente complesso per cui sarà necessario, in fase di analisi, definire un approccio euristico che permetterà di ottenere una soluzione sub-ottima in un tempo di calcolo ragionevole per istanze maggiori. L'analisi è stata sviluppata nell'ambiente di sviluppo Eclipse, attraverso il risolutore Cplex, in linguaggio Java. Per poterne comprendere la validità, è prevista un'ultima fase in cui gli output del modello ottimo e dell'euristica vengono confrontati tra loro su parametri caratteristici. Bisogna tuttavia considerare che l' utilizzo di sistemi cyber-fisici a supporto della logistica non può prescindere da un costante sguardo verso il progresso.

Analisi e standardizzazione del ciclo commessa dei materiali in conto lavoro: il caso HP Composites S.p.A.

HP Composites, azienda leader nella produzione di componenti in fibra di carbonio, a seguito della crescita di ordini commissionati dai suoi clienti, ha deciso di affidare a dei fornitori la produzione di alcune commesse, in alcune o in tutte le fasi del loro ciclo. L’elaborato di tesi nasce da un’esperienza di tirocinio nell’ufficio pianificazione di HP Composites, e si pone l’obiettivo di analizzare tutte le attività che, evitando di dedicare risorse alle lavorazioni selezionate, deve compiere per supportare il fornitore; l’analisi è stata effettuata tramite la costruzione di un diagramma di flusso e fornendo un indicazione del tempo richiesto da ogni attività, per poi poi avanzare delle proposte di ottimizzazione. Il ciclo commessa può essere suddiviso in quattro fasi: scelta della commessa e selezione del fornitore, attivazione del fornitore, gestione settimanale dell’evasione degli ordini e gestione del fine commessa. L’ufficio acquisti nel tempo si è specializzato individuando i temi da chiarire prima di attivare la fornitura per evitare l’insorgere di problematiche a produzione già attivata. Per quanto riguarda la gestione settimanale del fornitore, è stato istituito il ruolo del responsabile delle esternalizzazioni, una figura che funga da intermediario con il fornitore e monitori la produzione esterna: questa figura apporta un'alta quantità di interazioni, ma HP valuta maggiori i vantaggi di questa gestione centralizzata. Inoltre nel tempo le attività pianificazione sono state ottimizzate grazie alla stesura di file precompilati da aggiornare. Un’attività fonte di inefficienza è quella dell’emissione dei documenti di trasporto, soprattutto nel caso in cui il compito di consegnare il prodotto al cliente è deputato al fornitore di conto lavoro: HP Composites ha intenzione di implementare un lettore barcode per l’emissione del documento che ridurrebbe i tempi richiesti dall’attività e permetterebbe una gestione del conto lavoro a sistema più corretta.

Sistemi di testing per celle a combustibile

La tesi tratta funzionamento, ottimizzazione e applicazioni delle celle a combustibile PEM (PEM Fuel cells) che sono dispositivi capaci di convertire reversibilmente l’energia chimica contenuta nel combustibile in energia elettrica, energia termica e prodotti di reazione. Vengono analizzati gli effetti di temperatura, pressione e umidità sulla cinetica, sulle prestazioni, sull’OCV, sulla conduttività della membrana e sul trasferimento di massa. In generale, per utilizzare una cella a combustibile PEM, ogni componente, materiale e l'assemblaggio delle celle dovrebbe essere realizzabile e ottimizzato per ottenere alte prestazioni. Vengono, quindi, trattate le tecniche di test e diagnosi che rappresentano il modo più popolare e affidabile per convalidare i progetti di questi componenti e della cella combustibile stessa. Inoltre, si affronta il discorso sull’idrogeno definito come vettore di energia che ha assunto un ruolo di primo piano per un mercato a basse emissioni; infatti ha un grande potenziale come combustibile alternativo e assume un ruolo centrale nello scenario energetico del futuro. Infine, si parla anche di applicazioni pratiche ed esistenti riguardanti le celle a combustibile in veicoli, come le proposte di Nuvera ed EH Group.

Metodologie per la progettazione di eliche aeronautiche

Studio dei metodi di progettazione per lo sviluppo di eliche aeronautiche. Come caso di studio è stata scelta la progettazione di un’elica che ottimizzi le prestazioni del Risen, prodotto dalla Porto Aviation Group. Questo ultraleggero monta motore Rotax915IS, che eroga una potenza considerevolmente maggiore rispetto ai motori adottati in precedenza: sono state, quindi, progettate una serie di eliche in grado di convertire in maniera efficiente la coppia ricevuta in spinta nelle diverse fasi di volo del velivolo. E' incluso nella tesi uno studio di sensitività in cui è stato verificato come varia la spinta in funzione dei diversi parametri costruttivi dell'elica aeronautica. Lo sviluppo dell’elica avviene attraverso il seguente percorso: 1) definizione parametri di volo e funzionamento motore del velivolo a cui accoppiare l'elica, 2) studio delle prestazioni dell'aereo con le eliche già disponibili così da potere validare i calcoli, 3) stima delle prestazioni dell'aereo in seguito a variazioni delle caratteristiche geometriche della pala; 4) sintesi caratteristiche costruttive per ottenere una pala in grado di fornire prestazioni soddisfacenti in ogni fase del volo. Gli studi sono stati supportati da analisi su codici software commerciali, al fine di valutare l’influenza dei parametri costruttivi sulle prestazioni del velivolo a cui viene accoppiata l'elica. Lo studio ha condotto allo sviluppo di cinque pale, una delle quali presenta ottime prestazioni.

Progetto preliminare e modellazione CAD di UAV ad ala rotante per impieghi agricoli

In questa tesi viene descritto uno studio preliminare su un velivolo ad ala rotante UAV (Unmanned Aerial Veichle) per supportare l'agricoltura di precisione. E' stato implementato in ambiente Matlab un semplice modello matematico per stimare la trazione del rotore principale in un elicottero. Successivamente, è stata presa in considerazone una meccanica commerciale per modellismo che potrebbe essere adottata per sveltire i tempi di sviluppo di questo UAV: la Graupner UNI-Mechanics 2000. E' stato, quindi, modellato al CAD un prototipo di struttura da realizzare tramite tecniche di Additive Manufacturing: questa parte è stata concepita per essere collegata alla meccanica dell'elicottero e può ospitare due taniche contenenti le sostanze da irrorare sulle colture. A livello di sviluppo futuro, si propone di applicare tecniche di ottimizzazione topologica alla struttura di collegamento per ottenere uno sfruttamento ottimale del materiale e ridurre le masse di questo componente.

Stato dell'arte delle tecniche lean per la gestione della supply chain

L’idea di focalizzare la tesi sulla supply chain ed in particolare sulle tecniche lean per la sua ottimizzazione deriva dal fatto che si tratta di un nuovo modo di ragionare, di un approccio moderno perfettamente adattabile al contesto socio-economico attuale, teso ad accrescere la flessibilità e l’efficienza dell’impresa attraverso un ripensamento dell’intero flusso di creazione del valore. Verranno analizzate le caratteristiche generali di questo modello organizzativo, per poi addentrarsi nella sua applicazione ed infine i vantaggi e gli eventuali svantaggi che le organizzazioni devono affrontare per implementare operativamente le tecniche lean. L’analisi effettuata nella tesi è strutturata come segue: La parte iniziale del primo capitolo definisce il concetto generale di supply chain sottolineando il contesto di riferimento in cui oggi operano le attività produttive. Vengono poi riportati l’accezione e il valore della supply chain management e le sue problematiche annesse di gestione e controllo. Nella seconda parte del capitolo vengono analizzati e descritti i modelli letterari esistenti utili per descrivere, impostare e classificare una supply chain. Il secondo capitolo, dopo una breve esposizione storica che descrive le origini della metodologia lean production, è orientato alla raccolta delle definizioni e alle loro differenti visioni tratte dal mondo della letteratura. Segue una parte più analitica, dove vengono analizzati in maniera dettagliata gli obiettivi, gli strumenti ed i principi che la filosofia lean prevede. Nel terzo capitolo viene approfondita la VSM, uno degli strumenti di principale importanza secondo le logiche della lean manufacturing. Vengono analizzati gli step necessari per una corretta implementazione, illustrando prima la simbologia internazionale necessaria per una sua comprensione e realizzazione e poi definiti gli step da applicare non solo per una semplice realizzazione, ma per l’ottenimento di una value stream map in ottica lean.

Efficientamento del processo produttivo mediante strumenti di Lean Production: il caso Curti spa

Questa tesi vuole riassumere il percorso di tirocinio che ho intrapreso all’ interno dell’azienda Curti. L'azienda, situata a Castel Bolognese, nasce nel 1955 e opera in svariati settori. Si occupa della produzione di macchine automatiche per il packaging, per la produzione di cavi elettrici e per il settore tessile; inoltre produce componenti per l'industria aerospaziale. L’azienda è votata ad una filosofia kaizen e fonda il processo produttivo su due forti pilastri: il WCM e la Lean Production. In questa esperienza sono stato assegnato all’ ufficio di pianificazione della produzione della divisione TetraPak. Qui ho potuto osservare da vicino come funziona un’azienda e imparare diversi compiti tipici di questo ruolo. Fra le attività che ho svolto c’è la gestione delle distinte sul gestionale Alnus e su Excel e la preparazione della documentazione per la spedizione. Successivamente ho concentrato la mia attenzione su un progetto specifico, denominato “Tethered”, interfacciandomi con il reparto ricambi. Secondo una recente normativa europea, dal 2024 tutti i packaging per il beverage con capacità inferiore ai 3 litri avranno l’obbligo di mantenere i tappi attaccati al contenitore. Il reparto ricambi riceve quindi molti ordini VCK Tethered, ovvero casse con i componenti per attuare i cambiamenti necessari per conformarsi alla normativa. Qui si concentra il mio lavoro di analisi della situazione as-is e lo studio di possibili azioni migliorative. Le azioni individuate sono l’acquisto di strumentazione, la disposizione di una scaffalatura dedicata (studiando una disposizione efficiente dei componenti), l’adozione di etichette informative sui contenitori e l'ottimizzazione delle spedizioni. Sono stati creati due OPL riguardanti il prelievo e l’imballaggio dei componenti. Infine, non è stata possibile applicarla, ma è comunque stata individuata la possibilità di implementare il metodo delle 5s, in modo da ottenere postazioni di lavoro più ordinate e pulite.

Procedure di Programmazione Dinamica per Determinare le K Migliori Soluzioni del Knapsack Problem 0-1 e dello Shortest Path Problem

In questa tesi viene trattata la problematica di determinare le migliori K soluzioni per due problemi di ottimizzazione, il Knapsack Problem 0-1 e lo Shortest Path Problem. Tali soluzioni possono essere impiegate all'interno di metodi di column generation per la risoluzione di problemi reali, ad esempio Bin Packing Problems e problemi di scheduling di veicoli ed equipaggi. Sono stati implementati, per verificarne sperimentalmente le prestazioni, nuovi algoritmi di programmazione dinamica, sviluppati nell’ambito di un programma di ricerca. Inizialmente, per entrambi i problemi, è stato descritto un algoritmo che determinasse le migliori K soluzioni per ogni possibile sottoproblema; partendo da uno zaino con capacità nulla, nel caso del Knapsack Problem 0-1, e dalla determinazione di un cammino dal vertice sorgente in se stesso per lo Shortest Path Problem, l’algoritmo determina le migliori soluzioni di sottoproblemi via via sempre più grandi, utilizzando le soluzioni costruite per gli stati precedenti, fino a ottenere le migliori soluzioni del problema globale. Successivamente, è stato definito un algoritmo basato su un approccio di ricorsione backward; in questo caso si utilizza una funzione ricorsiva che, chiamata a partire dallo stato corrispondente al problema globale, viene richiamata solo sugli stati intermedi strettamente necessari, e per ognuno di essi non vengono determinate soluzioni superflue.

Sistemi di co-cultura 3D per lo studio dell'effetto di farmaci chemioterapici su cellule tumorali

Il neuroblastoma è un tumore solido pediatrico che si sviluppa nel sistema nervoso e risulta una significativa causa di morte infantile. Per avanzare nella conoscenza della sua patogenesi, l’ingegneria dei tessuti biologici, e più nello specifico la microfabbricazione dei biomateriali, ha favorito lo sviluppo di piattaforme microfluidiche utili per riprodurre il sistema neurovascolare umano. Piattaforme di questo tipo, chiamate chip, prevedono spesso l’utilizzo di idrogel. Nel mio elaborato viene presentato un lavoro recentemente pubblicato da Sokullu et al., nel quale gli autori presentano le prorietà del GelMA, un idrogel che mostra caratteristiche molto simili a quelle della matrice extracellulare naturale. Nel lavoro presentato, l’idrogel viene posto all’interno del microchip come base per la co-coltura di due linee cellulari umane, cellule di neuroblastoma e cellule endoteliali di vena ombelicale. Tramite test specifici si riscontra che il GelMA mostra appropriate proprietà biomeccaniche e determina nelle cellule in coltura una vitalità superiore all’80%. Il GelMA si rivela dunque una piattaforma utile per gli studi di colture cellulari 3D per lunghi periodi. Il lavoro analizzato prova inoltre che questa struttura permette di valutare eventi di invasione e migrazione di cellule tumorali suggerendo che il chip microfluidico possa essere impiegato per studi di ottimizzazione del dosaggio e delle modalità di somministrazione di farmaci chemioterapici.

Applicazione di un modello bi-obiettivo per la progettazione sostenibile di sistemi produttivi riconfigurabili

Negli ultimi anni la competitività nei mercati è notevolmente cresciuta, la complessità dei prodotti industriali è considerevolmente aumentata e quest’ultimi devono ora essere accuratamente ottimizzati sotto ogni aspetto. I prodotti, oltre ad avere dei cicli di vita più brevi, sono soggetti a un’alta personalizzazione e a una domanda variabile. Per rimanere competitive, le aziende manifatturiere devono possedere nuovi tipi di sistemi di produzione che siano convenienti e molto reattivi a tutti questi cambiamenti del mercato, quali i Sistemi di produzione riconfigurabili (Reconfigurable Manufacturing System - RMS). La particolarità di tali sistemi risiede nella capacità di cambiare rapidamente le loro strutture hardware e software, aspetto che li renda idonei a soddisfare la produzione moderna. Oltre agli aspetti produttivi, l’attenzione odierna è incentrata anche sulle tematiche ambientali legate al risparmio energetico durante i processi produttivi, alla riduzione delle quantità di CO2 emesse e alla sostenibilità ambientale. L’obiettivo di questa tesi è quello di proporre un modello di ottimizzazione multi-obiettivo che tenga conto sia della minimizzazione del tempo complessivo necessario alla movimentazione dei prodotti e alla riconfigurazione delle macchine, e sia della minimizzazione del consumo energetico. Tale modello è stato applicato ad un caso studio realistico che ha permesso di individuare un trade-off tecnico-ambientale individuando la frontiera di Pareto con punto di ottimo (134.6 min; 9346.3 kWh) che si discosta del 57% dal valore trovato ottimizzando la funzione tempo, e dello 0.76% dal valore ottenuto ottimizzando la funzione energia.

Deep Learning applicato alla diagnostica dei trasformatori

Il trasformatore è uno degli elementi più importanti di una rete di trasmissione; essendo il tramite fra reti di alta e media tensione, il suo corretto funzionamento garantisce l’alimentazione di tutti i dispositivi e carichi connessi alla linea. Oltre a questo, il trasformatore è anche l’elemento più costoso di tutta la linea elettrica; la sua manutenzione è di vitale importanza per evitare costi elevati per la sostituzione e disagi lungo la linea. Qui entra in gioco il ruolo della diagnostica; attraverso misure periodiche e mirate sul trasformatore è possibile agire tempestivamente ed evitare tutti i fenomeni precedentemente elencati. Nell’elaborato si tratterà l’analisi del trasformatore elettrico trifase durante il suo funzionamento, evidenziando i sottocomponenti e le rispettive criticità; inoltre, verranno mostrate le varie tecniche di diagnostica del trasformatore, in modo tale da poter estrarre un indice legato allo stato di vita, ossia l’Health Index. Ad oggi esistono diverse tecniche di approccio al calcolo dell’Health Index, quella che viene presentata è una tecnica del tutto innovativa, ossia sviluppare una rete neurale artificiale (Artificial Neural Network, ANN) in grado di prevedere lo stato del trasformatore basandosi su misure effettuate sullo stesso. Dunque, verranno presentante le basi per lo sviluppo di una rete neurale, partendo dall’analisi e formattazione dei dati, fino alla fase di ottimizzazione delle prestazioni. Infine, si attraverseranno tutte le fasi intermedie di realizzazione del progetto da cui l’elaborato prende il titolo; osservando l’evoluzione di una rete neurale che si trasforma da un programma scritto in ambiente Python a una applicazione pronta all’uso per gli operatori durante le operazioni di diagnostica.

Hub Location Problem e Site Selection: il caso FAAC Technologies

Questa tesi ha l’obbiettivo di studiare e seguire la creazione un modello matematico che possa risolvere un problema logistico di Hub Facility Location reale, per l’individuazione del posizionamento ottimale di uno o più depositi all’interno di una rete distributiva europea e per l’assegnazione dei rispettivi clienti. Si fa riferimento alla progettazione della rete logistica per rispondere alle necessità del cliente, relativamente ad una domanda multiprodotto. Questo problema è stato studiato a partire da un caso reale aziendale per la valutazione della convenienza nella sostituzione di quattro magazzini locali con uno/due hub logistici che possano servire tutte le aree. Il modello distributivo può anche essere adoperato per valutare l’effetto della variazione, dal punto di vista economico, del servizio di trasporto e di tariffario. La determinazione della posizione ottimale e del numero dei magazzini avviene tramite un modello matematico che considera al proprio interno sia costi fissi relativi alla gestione dei magazzini (quindi costo di stabilimento, personale e giacenza) e sia i costi relativi al trasporto e alla spedizione dei prodotti sulle diverse aree geografiche. In particolare, la formulazione matematica si fonda su un modello Programmazione Lineare Intera, risolto in tempi molto brevi attraverso un software di ottimizzazione, nonostante la grande mole di dati in input del problema. In particolare, si ha lo studio per l’integrazione di tariffari di trasporto diversi e delle economie di scala per dare consistenza ad un modello teorico. Inoltre, per ricercare la migliore soluzione di quelle ottenute sono poi emersi altri fattori oltre a quello economico, ad esempio il tempo di trasporto (transit-time) che è un fattore chiave per ottenere la soddisfazione e la fedeltà del cliente e attitudine dell’area geografica ad accogliere una piattaforma logistica, con un occhio sugli sviluppi futuri.

Modellazione e simulazione di un processo di produzione per l'industria 4.0

In un mondo in continua trasformazione cresce sempre più il numero delle aziende che hanno colto l’importanza della digitalizzazione dei processi produttivi. Alcune di esse si affidano ad esperti capaci di suggerire soluzioni per ottenere servizi di alta qualità e fruibilità con l’integrazione di sistemi gestionali. Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’analisi del processo produttivo di una azienda che realizza armadi per stazioni di ricarica elettrica serie terra a colonna. Si compone di sei capitoli, il primo affronta il tema della Simulazione e le sue principali caratteristiche per analizzare un processo di produzione; il secondo esamina i linguaggi, le applicazioni e i modelli di simulazione; il terzo analizza e descrive le peculiarità e le caratteristiche del software utilizzato per la simulazione; il quarto capitolo affronta il tema dell’industria 4.0 spingendo all’innovazione nei sistemi produttivi per raggiungere una produzione del tutto automatizzata e interconnessa; nel quinto viene descritto il modello digitale per ottenere in modo preciso un oggetto fisico, così da avere una Simulazione precisa, infine, il sesto esamina la Simulazione e Modellizzazione come strumento per l’ottimizzazione del processo produttivo riguardante armadi per stazioni di ricarica elettrica serie terra a colonna. Il raggiungimento dell’uso della simulazione come supporto all’analisi dinamica di un processo consente di avere una panoramica complessiva di tutte le operazioni, rappresentando, così un vantaggio per le aziende che possono valutare con oggettività soluzioni progettuali alternative, di cui è difficile prevedere il comportamento, le prestazioni e l’impatto su altri sistemi. Questi risultati sono la risposta alle necessità di disporre strumenti per l’anticipazione, il dimensionamento e il contenimento dei rischi di progetto.