Matrix-structured manufacturing systems : Simulation performance analysis as a successor to dedicated production lines
Skytén, Henrik (2022-09-28)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022092860411
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022092860411
Tiivistelmä
ABSTRACT:
Growing demand for product variations has led to mass personalized production in the manufacturing industry. Many manufacturers still use traditional product line configurations based on a dedicated manufacturing system (DMS). This system is not considered compatible with ongoing manufacturing trend. The challenge is finding a manufacturing system that would combine high productivity with the flexibility to produce multiple types of products. To this end, a matrix-structured manufacturing system (MMS) was developed. In addition, a reconfigurable manufacturing system (RMS) has been researched as a replacement for the DMS. The problem is that these two systems are not compared performance-wise. Moreover, it has not been investigated in which cases MMS or RMS would provide better compatibility to replace the product line.
This Master’s thesis aims to answer how MMS and RMS perform compared to DMS regarding productivity and flexibility. Furthermore, it is evaluated in which manufacturing scenarios MMS provide better performance than RMS and DMS. Finally, thesis seeks to answer what are the benefits and disadvantages of MMS compared to RMS and DMS. To fill this research gap in knowledge, thesis presents a discrete-event simulation experiment. Thesis follows principles of experimental research with deductive approach and collects quantitative data from manufacturing simulation. Theoretical review is conducted focusing on characteristics and background of manufacturing systems. This information is utilized when designing and constructing simulation experiment. Simulation results are evaluated from the following performance perspectives: efficiency, effectiveness, delivery, and operational flexibility. These are based on com mon manufacturing competitive priorities.
It was discovered that MMS provides highest workstation utilization and overall production effectiveness. RMS performed best in efficiency, delivery, and flexibility perspective. Flexibility was measured with production scenarios which involved simulated production disturbances and changes in number of products in system. It was found that production flow in MMS is declined significantly when number of products in system increases to high level. DMS resulted lowest in every scenario and performance view. The problem is the inflexibility to alternative production routes making it sensitive to production disruptions. Both MMS and RMS provided notably better productivity and flexibility performance than DMS. Based on the results, MMS is recommended for production scenarios where product variety extends over product family with importance in production customization and high station utilization. RMS is suitable for scenarios where delivery performance with flexibility is crucial. TIIVISTELMÄ:
Kasvava määrä tuotevarianttien kysynnälle johtanut massapersonointiin massatuotannossa. Monet teollisuuden yritykset käyttävät yhä perinteisiä tuotelinjakonfiguraatioita, jotka kuuluvat kiinteisiin työasemiin perustuviin tuotantojärjestelmiin (DMS). Kuitenkaan näiden ei nähdä soveltuvan käynnissä olevaan tuotantotrendiin. Haasteena on löytää valmistusjärjestelmä, jossa korkea tuottavuus yhdistyisi joustavuuteen tuottaa monenlaisia tuotteita. Tätä varten kehitettiin matriisirakenteinen valmistusjärjestelmä (MMS). Lisäksi uudelleen konfiguroitavaa valmistusjärjestelmää (RMS) tutkitaan korvaajaksi perinteiselle tuotantolinjalle. Ongelmana on, että näitä kahta järjestelmää ei ole vertailtu suorituskyvyllisesti. Lisäksi ei ole tutkittu, missä tapauksissa MMS tai RMS olisi parempi vaihtoehto perinteisen tuotelinjan korvaajaksi.
Tämän Pro gradu -tutkielman tavoitteena on vastata kysymykseen, miten MMS ja RMS suoriutuvat verrattuna perinteiseen tuotelinjaan tarkasteltaessa järjestelmän tuottavuutta ja joustavuutta. Lisäksi arvioidaan, missä valmistusskenaarioissa MMS tarjoaa parempaa suorituskykyä kuin RMS ja DMS. Viimeisenä tutkielmassa pyritään vastaamaan mitkä ovat MMS:n edut ja haitat verrattuna RMS:ään ja DMS:ään. Tutkimusaukon täyttämiseksi opinnäytetyö esittää diskreetti tapahtumapohjaisen simulaation. Tutkielma noudattaa kokeellisen tutkimuksen periaatteita deduktiivisella lähestymistavalla, jossa kerätään kvantitatiivista dataa tuotantosimulaatiosta. Teoreettinen katsaus keskittyy valmistusjärjestelmien ominaispiirteisiin sekä taustaan. Tätä tietoa hyödynnetään suunniteltaessa ja rakentaessa simulaatiokoetta. Simuloinnin tuloksia arvioidaan seuraavista suorituskyvyn näkökulmista: hyötysuhde, tehokkuus, toimituskyky ja järjestelmän joustavuus. Nämä perustuvat yleisiin tuotannon kilpailuprioriteetteihin.
Tutkielmassa havaittiin, että MMS tarjoaa korkeimman työaseman käyttöasteen ja tuotantojärjestelmän tehokkuuden. RMS suoriutui parhaiten hyötysuhteen, toimituskyvyn ja joustavuuden näkökulmista. Joustavuutta mitattiin tuotantoskenaarioilla, joissa simuloitiin tuotantohäiriöitä ja muutoksia yhtäaikaisesti valmistettavien tuotteiden määrässä tuotannossa. Tutkielmassa todettiin, että MMS:n tuotantovirta hidastuu merkittävästi, kun valmistettavien tuotteiden määrä järjestelmässä kasvaa korkealle tasolle. DMS suoriutui huonoiten kaikissa skenaarioissa ja suorituskykynäkökulmista. Tämä johtuu joustamattomuudesta vaihtoehtoisille tuotereiteille tekien siitä herkän häiriöille. Molemmat sekä MMS että RMS tarjosivat huomattavasti paremman tuottavuus- ja joustavuuskyvyn kuin DMS. Tutkimuksen tuloksiin perustuen MMS:ää suositellaan tuotantoskenaarioihin, joissa tuotevalikoima ulottuu myös yli tuoteperheen, ja jossa tuotannon kustomointikyky ja korkea työasemien käyttöaste on tärkeää. RMS sopii skenaarioihin, joissa tuotannon toimituskyky ja joustavuus on ratkaisevan tärkeää.
Growing demand for product variations has led to mass personalized production in the manufacturing industry. Many manufacturers still use traditional product line configurations based on a dedicated manufacturing system (DMS). This system is not considered compatible with ongoing manufacturing trend. The challenge is finding a manufacturing system that would combine high productivity with the flexibility to produce multiple types of products. To this end, a matrix-structured manufacturing system (MMS) was developed. In addition, a reconfigurable manufacturing system (RMS) has been researched as a replacement for the DMS. The problem is that these two systems are not compared performance-wise. Moreover, it has not been investigated in which cases MMS or RMS would provide better compatibility to replace the product line.
This Master’s thesis aims to answer how MMS and RMS perform compared to DMS regarding productivity and flexibility. Furthermore, it is evaluated in which manufacturing scenarios MMS provide better performance than RMS and DMS. Finally, thesis seeks to answer what are the benefits and disadvantages of MMS compared to RMS and DMS. To fill this research gap in knowledge, thesis presents a discrete-event simulation experiment. Thesis follows principles of experimental research with deductive approach and collects quantitative data from manufacturing simulation. Theoretical review is conducted focusing on characteristics and background of manufacturing systems. This information is utilized when designing and constructing simulation experiment. Simulation results are evaluated from the following performance perspectives: efficiency, effectiveness, delivery, and operational flexibility. These are based on com mon manufacturing competitive priorities.
It was discovered that MMS provides highest workstation utilization and overall production effectiveness. RMS performed best in efficiency, delivery, and flexibility perspective. Flexibility was measured with production scenarios which involved simulated production disturbances and changes in number of products in system. It was found that production flow in MMS is declined significantly when number of products in system increases to high level. DMS resulted lowest in every scenario and performance view. The problem is the inflexibility to alternative production routes making it sensitive to production disruptions. Both MMS and RMS provided notably better productivity and flexibility performance than DMS. Based on the results, MMS is recommended for production scenarios where product variety extends over product family with importance in production customization and high station utilization. RMS is suitable for scenarios where delivery performance with flexibility is crucial.
Kasvava määrä tuotevarianttien kysynnälle johtanut massapersonointiin massatuotannossa. Monet teollisuuden yritykset käyttävät yhä perinteisiä tuotelinjakonfiguraatioita, jotka kuuluvat kiinteisiin työasemiin perustuviin tuotantojärjestelmiin (DMS). Kuitenkaan näiden ei nähdä soveltuvan käynnissä olevaan tuotantotrendiin. Haasteena on löytää valmistusjärjestelmä, jossa korkea tuottavuus yhdistyisi joustavuuteen tuottaa monenlaisia tuotteita. Tätä varten kehitettiin matriisirakenteinen valmistusjärjestelmä (MMS). Lisäksi uudelleen konfiguroitavaa valmistusjärjestelmää (RMS) tutkitaan korvaajaksi perinteiselle tuotantolinjalle. Ongelmana on, että näitä kahta järjestelmää ei ole vertailtu suorituskyvyllisesti. Lisäksi ei ole tutkittu, missä tapauksissa MMS tai RMS olisi parempi vaihtoehto perinteisen tuotelinjan korvaajaksi.
Tämän Pro gradu -tutkielman tavoitteena on vastata kysymykseen, miten MMS ja RMS suoriutuvat verrattuna perinteiseen tuotelinjaan tarkasteltaessa järjestelmän tuottavuutta ja joustavuutta. Lisäksi arvioidaan, missä valmistusskenaarioissa MMS tarjoaa parempaa suorituskykyä kuin RMS ja DMS. Viimeisenä tutkielmassa pyritään vastaamaan mitkä ovat MMS:n edut ja haitat verrattuna RMS:ään ja DMS:ään. Tutkimusaukon täyttämiseksi opinnäytetyö esittää diskreetti tapahtumapohjaisen simulaation. Tutkielma noudattaa kokeellisen tutkimuksen periaatteita deduktiivisella lähestymistavalla, jossa kerätään kvantitatiivista dataa tuotantosimulaatiosta. Teoreettinen katsaus keskittyy valmistusjärjestelmien ominaispiirteisiin sekä taustaan. Tätä tietoa hyödynnetään suunniteltaessa ja rakentaessa simulaatiokoetta. Simuloinnin tuloksia arvioidaan seuraavista suorituskyvyn näkökulmista: hyötysuhde, tehokkuus, toimituskyky ja järjestelmän joustavuus. Nämä perustuvat yleisiin tuotannon kilpailuprioriteetteihin.
Tutkielmassa havaittiin, että MMS tarjoaa korkeimman työaseman käyttöasteen ja tuotantojärjestelmän tehokkuuden. RMS suoriutui parhaiten hyötysuhteen, toimituskyvyn ja joustavuuden näkökulmista. Joustavuutta mitattiin tuotantoskenaarioilla, joissa simuloitiin tuotantohäiriöitä ja muutoksia yhtäaikaisesti valmistettavien tuotteiden määrässä tuotannossa. Tutkielmassa todettiin, että MMS:n tuotantovirta hidastuu merkittävästi, kun valmistettavien tuotteiden määrä järjestelmässä kasvaa korkealle tasolle. DMS suoriutui huonoiten kaikissa skenaarioissa ja suorituskykynäkökulmista. Tämä johtuu joustamattomuudesta vaihtoehtoisille tuotereiteille tekien siitä herkän häiriöille. Molemmat sekä MMS että RMS tarjosivat huomattavasti paremman tuottavuus- ja joustavuuskyvyn kuin DMS. Tutkimuksen tuloksiin perustuen MMS:ää suositellaan tuotantoskenaarioihin, joissa tuotevalikoima ulottuu myös yli tuoteperheen, ja jossa tuotannon kustomointikyky ja korkea työasemien käyttöaste on tärkeää. RMS sopii skenaarioihin, joissa tuotannon toimituskyky ja joustavuus on ratkaisevan tärkeää.