Development of a Design Optimization Framework to Deal with Current Challenges of Engineering-To-Order Products

This thesis presents a methodological approach to supporting the multi-objective optimization of engineered-to-order products. The goal is to support engineers in designing economic products while meeting performance requirements. The method is based on three optimization levels. The first is used in the preliminary design phase when a company receives a request for proposal. Here, little information on the order is available, and time available to formulate an offer is limited. Thus, parametric cost models and simplified geometries are used in the optimization loop performed by genetic algorithms. The second phase (the embodiment design phase) starts when an offer becomes an order based on the results of the first stage. Simplified 2D/3D geometries and advanced parametric cost models are used in the optimization loop, which presents a restricted problem domain. In the last phase involving detailed design, a full 3-D CAD model is generated, and specific numerical simulations are performed. Cost estimations, given high levels of detail considered, are analytic and are performed using dedicated software. Two case studies to validate the presented approach are described. They concern the design optimization of a steel chimney and an air filtration system typically used in the oil and gas sector. The multi-objective optimization approach involves the minimization of costs related to manufacturing and assembly phases and the product performance enhancement. The proposed method allows for a complete exploration of the problem domain quickly developing a semi-optimized product design useful for the bidding phase and then a robustly optimized product design for the maximization of company’s profits during the engineering design phase of ETO solutions. The achieved benefits are a more effective design process, less design efforts and rework, increased product performance, and enhanced organizational profit.

Questa tesi presenta un approccio metodologico per supportare l'ottimizzazione multi-obiettivo di prodotti ingegnerizzati all’ordine (ETO). L'obiettivo è quello di supportare gli ingegneri nel design di prodotti con un costo competitivo rispettando i requisiti di performance. Il metodo è basato su tre livelli di ottimizzazione. Il primo viene utilizzato nella fase di progettazione preliminare quando un’azienda riceve una richiesta di preventivo. In questa fase sono disponibili solo poche informazioni sul prodotto/sistema da sviluppare e il tempo disponibile per formulare un'offerta è limitato. Pertanto, modelli di costo parametrici e geometrie semplificate vengono utilizzate nel ciclo di ottimizzazione. La seconda fase inizia quando un'offerta diventa ordine ed è basata sui risultati del primo stadio. Geometrie 2D/3D semplificate e modelli di costo parametrici avanzati sono utilizzati nel loop di ottimizzazione. Nell'ultima fase di design, viene generato un modello CAD 3D completo e vengono eseguite simulazioni numeriche specifiche. Le stime dei costi, dati gli alti livelli di dettaglio considerati, sono analitiche e vengono condotte con un software dedicato. Per validare l'approccio presentato sono descritti due casi di studio. Essi riguardano l'ottimizzazione di un camino in acciaio e di un sistema di filtrazione dell'aria utilizzati nel settore petrolifero e del gas. L'approccio proposto prevede la minimizzazione dei costi relativi alle fasi di produzione e assemblaggio e il miglioramento delle prestazioni del prodotto. Il metodo presentato consente una completa esplorazione del dominio del problema. Esso permette, dapprima, di sviluppare in maniera rapida un design semiottimizzato utile per la fase di contrattazione con il cliente e, successivamente, un progetto ottimizzato di dettaglio per massimizzare i profitti. I benefici ottenuti sono un processo di design più efficace, meno sforzi di progettazione e rilavorazione, aumento delle prestazioni del prodotto e del profitto aziendale.