Planificación de la producción en fabricación aditiva: contribuciones a la formalización del problema y dinamización del mercado mediante subastas combinatorias

Abstract

Additive manufacturing has emerged as the primary enabling technique for a paradigm shift in production towards the mass customisation of products. The remarkable growth of this technique in recent years is revolutionising traditional manufacturing systems and has given rise to new structural challenges that Operations Management must address. At the operational level, the specific characteristics of additive manufacturing introduce new complexities that necessitate a revision of traditional production planning and demand management systems. This doctoral thesis focuses on the study of production planning processes within the context of additive manufacturing and their interconnection with demand management systems for these components. Academic and scientific interest in the new operational challenges introduced by additive manufacturing has led to a proliferation of scientific publications in this field in recent years. However, a review of this literature has revealed the absence of frameworks that formalise the complete problem of production planning in additive manufacturing at the operational level. This work proposes a classificatory framework that establishes a reference for codifying, classifying, and analysing the main production planning and scheduling models in additive manufacturing. The study of the specificities of production planning in additive manufacturing has also enabled the identification of opportunities to improve efficiency in the market for components produced using additive manufacturing techniques. The research has focused on the allocation problem that arises between providers of additive manufacturing services and companies that outsource the production of these components. Given that additive manufacturing allows for the production of heterogeneous parts on the same manufacturing platform, suppliers can optimise their production capacity by simultaneously producing combinations of orders from different client companies. This scenario results in a combinatorial optimisation problem, which will be addressed using combinatorial auctions as a methodological tool. Following a detailed study of combinatorial auction mechanisms, this work develops an iterative combinatorial double auction to resolve the allocation and pricing problems in an additive manufacturing components market. The thesis presents both the theoretical formulation of the auction and the design of a formal model for its simulation, demonstrating how this mechanism contributes to improving allocation efficiency in an additive manufacturing market. The results of this research have highlighted the need to develop new mechanisms to efficiently address the complexities introduced by additive manufacturing in production planning systems and in the coordination between supply and demand. The ultimate aim of this work is to contribute to the maturation of additive manufacturing as a production technique and to the democratisation of its use.

La fabricación aditiva se ha convertido en la principal técnica facilitadora de un cambio en el paradigma de producción hacia la fabricación en masa de productos personalizados. El notable crecimiento de esta técnica en los últimos años está provocando una revolución en los sistemas de fabricación tradicionales y ha dado lugar a nuevos retos estructurales que la Dirección de Operaciones debe afrontar. A nivel operativo, las características específicas que presenta la fabricación aditiva introducen nuevas complejidades que requieren una revisión de los sistemas tradicionales de planificación de la producción y de gestión de la demanda. El trabajo desarrollado en esta tesis doctoral se centra en el estudio de los procesos de planificación de la producción en un contexto de fabricación aditiva y en su interconexión con los sistemas de gestión de la demanda de estos componentes. El interés académico y científico en los nuevos problemas operativos que incorpora la fabricación aditiva ha dado lugar a una proliferación de la producción científica en este ámbito durante los últimos años. No obstante, la revisión de esta literatura ha revelado la ausencia de marcos que formalicen el problema completo de planificación de la producción en fabricación aditiva a nivel operativo. En este trabajo se propone un marco clasificatorio que ha permitido establecer una referencia para codificar, clasificar y analizar los principales modelos de planificación y programación de la producción en fabricación aditiva. El estudio de las particularidades de la planificación de la producción en fabricación aditiva ha permitido, además, identificar oportunidades para la mejora de la eficiencia en el mercado de componentes producidos mediante técnicas de fabricación aditiva. La investigación se ha centrado en el problema de asignación que surge entre empresas proveedoras de servicios de fabricación aditiva y empresas que subcontratan la producción de estos componentes. Puesto que las técnicas de fabricación aditiva permiten fabricar piezas heterogéneas en la misma superficie de fabricación, los proveedores pueden optimizar su capacidad productiva mediante la producción simultánea de combinaciones de pedidos de diferentes empresas cliente. Esta situación da lugar a un problema de optimización combinatoria que será abordado utilizando las subastas combinatorias como herramienta metodológica. Tras un estudio detallado de los mecanismos de subasta combinatoria, este trabajo desarrolla una subasta combinatoria doble iterativa para resolver la asignación y la fijación de precios en un mercado de componentes de fabricación aditiva. La tesis presenta tanto la formulación teórica de la subasta como el diseño de un modelo formal para su simulación, y demuestra cómo este mecanismo contribuye a mejorar la eficiencia en la asignación en un mercado de fabricación aditiva. Los resultados de esta investigación han destacado la necesidad de desarrollar nuevos mecanismos que aborden de manera eficiente las complejidades introducidas por la fabricación aditiva en los sistemas de planificación de la producción y de coordinación entre oferta y demanda. El fin último de este trabajo es contribuir a la maduración de la fabricación aditiva como técnica de producción y a la democratización de su uso.