Utilization of Virtual Manufacturing and Digital Twins for Improving Agility in Manufacturing Processes

Abstract

I den moderne tiden med produksjonsstyring sliter mange bransjer med å håndtere uventede endringer i deres driftsmiljø, og denne studien tar sikte på å finne ut hvordan disse situasjonene skal konfronteres. For å foreslå et svar for å møte slike usikkerhetsmomenter, gjennomgås smidig produksjon, da dette konseptet hjelper turbulente industrier til ikke bare å overvinne uforutsigbare utfordringer, men også å dra nytte av endringer som en mulighet. Denne forskningen bruker litteraturgjennomgangsmetoden for å finne ut hovedunderskuddet i dagens produksjonsmetoder. Det er en mulighetsstudie for systemdesign av digitale tvillingbaserte produksjonsprosesser og foreslår digitale tvillinger som den viktigste muliggjøreren for smidig produksjon i bransjer som allerede simulerer prosessene sine på butikkgulvet. Til dette formålet er rundt 150 sertifisert forskning som publikasjoner, bøker, artikler, tidsskrifter etc. blitt gjennomgått og deres sentrale funn i relevans for temaet er studert. Et primærkriterium er definert for den gjennomgåtte forskningen for å bidra til å begrense resultatene. Dette har ført til et utvalg av 4 digitale tvillingrammeverk med høyest relevans for kriteriene. Disse rammeverkene sammen med deres egenskaper er presentert i detalj og samlet i en sammenligningstabell for å sammenlignes med deres motparter angående listede sekundære kriterier. Denne sammenligningstabellen viser seg å være et nyttig verktøy for å identifisere en trend i likheter og forskjeller mellom ulike rammeverk. Som et resultat er det foreslått en klassifisering av krav i denne studien som kan bygge grunnlaget for enhver digital tvillingbasert produksjonsprosess. Dessuten, for å gi en bedre innsikt i hvordan produksjonsprosesser kan simuleres, brukes en Siemens-eid simuleringsprogramvare kalt Plant Simulation (Tecnomatix) i denne studien for å lage den virtuelle prototypen til et verft. Noen av funksjonene i denne simuleringen presenteres, implementeres og analyseres for å vise mulighetene til virtuell produksjon. Funnene i denne studien er i tråd med tidligere studier når det gjelder å vise betydningen av cyber-fysisk produksjon i butikkgulvet, men tar en ny tilnærming til å klassifisere kravene som ikke er lik tidligere forskning, slik forfatteren av studien vet. Denne metoden gir en enklere tilnærming til å identifisere interessentenes forventninger og tilpasse det digitale tvillingdesignet. forventninger og tilpasse den digitale tvillingdesignen.

In the modern era of manufacturing management, many industries are struggling to deal with unexpected changes in their operating environment and this study aims to determine how these situations should be confronted. To propose an answer to face such uncertainties, agile manufacturing is reviewed as this concept helps turbulent industries not only overcome unpredictable challenges but also to take advantage of changes as an opportunity. This research uses the literature review method to figure out the main deficit in current manufacturing methods. It is a feasibility study for system design of digital twin-based manufacturing processes and suggests digital twins as the main enabler of agile manufacturing in industries that are already simulating their processes on the shop floor. For this purpose, around 150 certified research such as publications, books, articles, journals, etc. have been reviewed and their key findings in relevance to the topic have been studied. A primary criterion is defined for the reviewed research to help narrow down the results. This has led to a selection of 4 digital twin frameworks with the highest relevancy to the criteria. These frameworks together with their properties are presented in detail and gathered all together in a comparison table to get compared with their counterparts regarding listed secondary criteria. This comparison table proves to be a helpful tool in identifying a trend in similarities and differences of different frameworks. As a result, a classification of requirements is proposed in this study which can build the foundation of any digital twin-based manufacturing process. Moreover, to provide a better insight into how manufacturing processes can be simulated, a Siemens-owned simulation software named Plant Simulation (Tecnomatix) is utilized in this study to create the virtual prototype of a shipyard. Some of the features of this simulation are presented, implemented, and analyzed to show the capabilities of virtual manufacturing. The findings in this study are in line with previous studies in showing the significance of cyber-physical manufacturing shop floor but take a new approach in classifying the requirements which are not similar to previous research to the knowledge of the author of the study. This method provides an easier approach to identifying the stakeholders’ expectations and customizing the digital twin design. expectations and customizing the digital twin design.