Towards a digital thread architecture for circular manufacturing

The circular economy model is widely recognized by academics, industry, and governments as a solution to the 'take-make-waste' approach to consumption and production. In manufacturing, Circular Manufacturing (CM) and Circular Manufacturing Systems (CMS) are promoted over traditional linear systems. CM aims to minimize waste and efficiently use resources through closed-loop systems, maintaining materials, components, and products in continuous cycles. Effective information sharing, crucial for supply chain efficiency and coordination, is equally vital for CM implementation. Recent EU legislation, such as digital product passports, further underscores the need for comprehensive data collection and information sharing infrastructures. Despite extensive research on data management for CM, gaps remain in technologies and architectures for information sharing. Digital Thread is a technology that orchestrates the integration of information and data along the entire product lifecycle, spanning from initial design and engineering through production, maintenance, use, and eventual end of life, aligning with CM objectives. Consequently, digital threads can be utilized to create data collection and information sharing architectures for CMSs. The objective of this PhD work is to design a product digital thread architecture that allows manufacturers to collect the needed data and information, from within and outside of their company, supporting CMSs’ implementation. The methodology followed for the PhD work is the Design Science Research (DSR) methodology, focusing on the design and validation of digital thread architecture for CM as an artifact. The PhD thesis comprises a collection of five research papers, each contributing to addressing the research questions and adhering to the DSR methodology. In the knowledge gathering stage, a mixed-method approach was employed, incorporating theoretical literature reviews and empirical studies to ensure the work's foundation in current theory and its practical relevance to the industry. During the artifact design stage, a digital thread architecture for CM information sharing was developed, utilising Asset Administration Shell (AAS). This architecture consists of five modules: production, tracking system, data collection, circularity optimization, and the information-sharing module. It leverages the AAS as the primary tool for representing the product data model to ensure interoperability and standardisation, and low-cost digital technologies for the traceability module. The architecture was implemented and tested at the Industry 4.0 Laboratory of Politecnico Di Milano and the Variable Organisation and Operation Management Demonstrator at the Institute for Manufacturing, University of Cambridge. Additionally, the architecture was deployed in a remanufacturing case study to validate its effectiveness in CM processes. This PhD work adds to the body of knowledge through interdisciplinary insights by intersecting manufacturing operations, supply chain management, and information technology research, highlighting the importance of traceability, stakeholder collaboration, and digital technologies for CM. It addresses notable gaps in existing literature, particularly concerning information sharing technologies and architectures for CM, thereby adding depth to the understanding of how digital technologies can facilitate CM processes. Furthermore, with the emergence of EU legislations mandating product data reporting this research provides timely and relevant insights into how industries can comply with these regulations through effective data management and information sharing frameworks.

Il modello dell'economia circolare è ampiamente riconosciuto dal mondo accademico, dall'industria e dai governi come una soluzione all'approccio “take-make-waste” al consumo e alla produzione. Nel settore manifatturiero, la produzione circolare (CM) e i sistemi di produzione circolare (CMS) vengono promossi rispetto ai sistemi lineari tradizionali. La CM mira a ridurre al minimo gli sprechi e a utilizzare in modo efficiente le risorse attraverso sistemi a ciclo chiuso, mantenendo materiali, componenti e prodotti in cicli continui. Un'efficace condivisione delle informazioni, cruciale per l'efficienza e il coordinamento della catena di fornitura, è altrettanto vitale per l'implementazione del CM. La recente legislazione dell'UE, come i passaporti digitali dei prodotti, sottolinea ulteriormente la necessità di infrastrutture complete per la raccolta dei dati e la condivisione delle informazioni. Nonostante le numerose ricerche sulla gestione dei dati per la CM, permangono lacune nelle tecnologie e nelle architetture per la condivisione delle informazioni. Il filo digitale è una tecnologia che orchestra l'integrazione di informazioni e dati lungo l'intero ciclo di vita del prodotto, dalla progettazione iniziale alla produzione, alla manutenzione, all'uso e alla fine del ciclo di vita, in linea con gli obiettivi della CM. Di conseguenza, i fili digitali possono essere utilizzati per creare architetture di raccolta dati e condivisione delle informazioni per i CMS. L'obiettivo di questo lavoro di dottorato è progettare un'architettura di fili digitali di prodotto che consenta ai produttori di raccogliere i dati e le informazioni necessarie, all'interno e all'esterno della propria azienda, a supporto dell'implementazione dei CMS. La metodologia seguita per il lavoro di dottorato è quella della Design Science Research (DSR), incentrata sulla progettazione e sulla convalida di un'architettura di fili digitali per i CM come artefatto. La tesi di dottorato comprende una raccolta di cinque lavori di ricerca, ognuno dei quali contribuisce a rispondere alle domande della ricerca e aderisce alla metodologia DSR. Nella fase di raccolta delle conoscenze, è stato utilizzato un approccio di tipo misto, che ha incorporato revisioni teoriche della letteratura e studi empirici per garantire il fondamento del lavoro nella teoria attuale e la sua rilevanza pratica per l'industria. Durante la fase di progettazione dell'artefatto, è stata sviluppata un'architettura di fili digitali per la condivisione delle informazioni sulla CM, utilizzando l'Asset Administration Shell (AAS). Questa architettura è composta da cinque moduli: produzione, sistema di tracciamento, raccolta dati, ottimizzazione della circolarità e modulo di condivisione delle informazioni. L'architettura si avvale di AAS come strumento principale per la rappresentazione del modello di dati del prodotto, per garantire l'interoperabilità e la standardizzazione, e di tecnologie digitali a basso costo per il modulo di tracciabilità. L'architettura è stata implementata e testata presso il Laboratorio Industry 4.0 del Politecnico di Milano e il Variable Organisation and Operation Management Demonstrator dell'Institute for Manufacturing dell'Università di Cambridge. Inoltre, l'architettura è stata implementata in un caso di studio di remanufacturing per validarne l'efficacia nei processi di CM. Questo lavoro di dottorato si aggiunge al corpus di conoscenze attraverso intuizioni interdisciplinari, intersecando le operazioni di produzione, la gestione della catena di fornitura e la ricerca sulle tecnologie dell'informazione, evidenziando l'importanza della tracciabilità, della collaborazione con gli stakeholder e delle tecnologie digitali per la CM. Il documento affronta le notevoli lacune della letteratura esistente, in particolare per quanto riguarda le tecnologie e le architetture di condivisione delle informazioni per la CM, aggiungendo così profondità alla comprensione di come le tecnologie digitali possano facilitare i processi di CM. Inoltre, con l'emergere di legislazioni europee che impongono la comunicazione dei dati sui prodotti, questa ricerca fornisce spunti tempestivi e rilevanti su come le industrie possono conformarsi a queste normative attraverso strutture efficaci di gestione dei dati e di condivisione delle informazioni.