Integrazione di tecnologie di Realtà Estesa e Digital Twin per la progettazione di Sistemi sostenibili incentrati sull'uomo: applicazione all'industria della ceramica

The rapid evolution from Industry 4.0 to Industry 5.0 has heightened the need to integrate sustainability practices within complex system design, especially in the manufacturing sector. This PhD thesis explores the potential of emerging 5.0 technologies - specifically Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR), and Digital Twin - to improve the visualization, monitoring, and communication of sustainability data across the product life cycle, with the final aim to promote the sustainability-driven factory resilience. The research presents the development of a Sustainability Digital Twin (SDT) framework aimed at enhancing sustainable design practices and people awareness about sustainable approaches and achievement of sustainability goals, with a specific application to the ceramics industry. Such SDT framework integrates the adoption of digital tools with Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) technique, which encompasses environmental, social, and economic indicators, to provide a comprehensive digital model of the system sustainability performance. By combining Sustainability Key Performance Indicators (S-KPIs) with Life Cycle Assessment (LCA), this approach focuses also on the design and development of customized dashboards able to display sustainability metrics across social, environmental, and economic dimensions. A core element of this methodology is the adoption of Green Design principles, ensuring that sustainability is embedded at every stage of the design process. A major contribution of the research is the creation of interactive, UX-driven dashboards that visualize key sustainability data using VR and AR technologies. These dashboards are designed following a Human-Centered Design (HCD) approach, ensuring they are intuitive, user-friendly, and accessible to a broad range of users, including operators, technicians, and decision-makers. The integration of XR technologies (VR and AR) allows for real-time simulation and optimization, supporting decision-making processes, and enhancing transparency throughout the product lifecycle. The incorporation of human-machine interaction models further improves the usability and effectiveness of these digital tools, providing valuable insights for sustainable co-design. This research demonstrates how an SDT framework, combined with XR technologies, enables companies to increase operators' awareness of sustainability performance and operational efficiency by providing real-time insights into resource consumption, emissions, and other sustainability metrics, and facilitating informed decision-making based on data visualization. Such an approach makes sustainability a key aspect of product design and engages people with different roles (e.g. operators, managers, customers, technicians) into the product design stages thanks to immersive virtual experiences. The proposed approach is applied to a case study in the ceramics industry, developed in collaboration with a world-leading company in the sector. Results highlight the potential of combining SDT with XR to create a dynamic and interactive platform for sustainable co-design and offer a scalable model for other industries aiming to achieve similar sustainability goals.

La rapida evoluzione dall'Industria 4.0 all'Industria 5.0 ha accentuato la necessità di integrare pratiche di sostenibilità nella progettazione di sistemi complessi, in particolare nel settore manifatturiero. Questa tesi di dottorato esplora il potenziale delle tecnologie emergenti dell’Industria 5.0 - nello specifico Realtà Aumentata (AR), Realtà Virtuale (VR) e Digital Twin - per migliorare la visualizzazione, il monitoraggio e la comunicazione dei dati di sostenibilità lungo il ciclo di vita del prodotto, con l’obiettivo finale di promuovere la resilienza delle fabbriche orientata alla sostenibilità. La ricerca presenta lo sviluppo di un framework basato su un Sustainability Digital Twin (SDT) pensato per migliorare le pratiche di progettazione sostenibile e aumentare la consapevolezza delle persone verso approcci sostenibili e il raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità, con un’applicazione specifica al settore della ceramica. Questo framework SDT integra l'adozione di strumenti digitali con la tecnica del Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA), che comprende indicatori ambientali, sociali ed economici, per fornire un modello digitale completo delle prestazioni di sostenibilità del sistema. Combinando i Sustainability Key Performance Indicators (S-KPI) con l’approccio del Life Cycle Assessment (LCA), il metodo si focalizza anche sulla progettazione e lo sviluppo di dashboard personalizzate in grado di visualizzare metriche di sostenibilità nelle dimensioni sociale, ambientale ed economica. Un elemento centrale di questa metodologia è l'adozione dei principi del Green Design, che garantisce l'integrazione della sostenibilità in ogni fase del processo di progettazione. Uno dei principali contributi della ricerca è la creazione di dashboard interattive basate su un’esperienza utente (UX) ottimizzata, che visualizzano i dati chiave di sostenibilità utilizzando tecnologie di VR e AR. Queste dashboard sono progettate seguendo un approccio Human-Centered Design (HCD), assicurandone l’intuitività, la facilità d’uso e l’accessibilità per una vasta gamma di utenti, inclusi operatori, tecnici e decisori aziendali. L'integrazione delle tecnologie XR (VR e AR) consente simulazioni in tempo reale e ottimizzazioni, supportando i processi decisionali e migliorando la trasparenza lungo l'intero ciclo di vita del prodotto. L'inclusione di modelli di interazione uomo-macchina migliora ulteriormente l'usabilità e l'efficacia di questi strumenti digitali, fornendo intuizioni preziose per il co-design sostenibile. Questa ricerca dimostra come un framework SDT, combinato con tecnologie XR, permetta alle aziende di aumentare la consapevolezza degli operatori sulle prestazioni di sostenibilità e sull'efficienza operativa, fornendo intuizioni in tempo reale sul consumo di risorse, sulle emissioni e su altre metriche di sostenibilità, facilitando decisioni informate basate sulla visualizzazione dei dati. Questo approccio rende la sostenibilità un aspetto centrale della progettazione del prodotto e coinvolge persone con ruoli diversi (ad esempio operatori, manager, clienti, tecnici) nelle fasi di progettazione grazie a esperienze virtuali immersive. L’approccio proposto è applicato a un caso studio nel settore della ceramica, sviluppato in collaborazione con un'azienda leader mondiale nel settore. I risultati evidenziano il potenziale della combinazione di SDT e XR per creare una piattaforma dinamica e interattiva per il co-design sostenibile e offrono un modello scalabile per altre industrie che mirano a raggiungere obiettivi di sostenibilità simili.