A cyber manufacturing system (CMS) is a concept generated from the cyber-physical system (CPS), providing adequate data and computation resources to support efficient and optimal decision making. Examples of these decisions include production control, variation reduction, and cost optimization. A CMS integrates the physical manufacturing equipment and computation resources via Industrial Internet, which provides low-cost Internet connections and control capability in the manufacturing networks. Traditional quality engineering methodologies, however, typically focus on statistical process control or run-to-run quality control through modeling and optimization of an individual process, which makes it less effective in a CMS with many manufacturing systems connected. In addition, more personalization in manufacturing generates limited samples for the same kind of product designs, materials, and specifications, which prohibits the use of many effective data-driven modeling methods. Motivated by Additive Manufacturing (AM) with the potential to manufacture products with a one-of-a-kind design, material, and specification, this dissertation will address the following three research questions: (1) how can in situ data be used to model multiple similar AM processes connected in a CMS (Chapter 3)? (2) How to improve the accuracy of the low-fidelity first-principle simulation (e.g., finite element analysis, FEA) for personalized AM products to validate the product and process designs (Chapter 4) in time? (3) And how to predict the void defect (i.e., unmeasurable quality variables) based on the in situ quality variables. By answering the above three research questions, the proposed methodology will effectively generate in situ process and quality data for modeling multiple connected AM processes in a CMS. The research to quantify the uncertainty of the simulated in situ process data and their impact on the overall AM modeling is out of the scope of this research. The proposed methodologies will be validated based on fused deposition modeling (FDM) processes and selective laser melting processes (SLM). Moreover, by comparing with the corresponding benchmark methods, the merits of the proposed methods are demonstrated in this dissertation. In addition, the proposed methods are inherently developed with a general data-driven framework. Therefore, they can also potentially be extended to other applications and manufacturing processes. / Doctor of Philosophy / Additive manufacturing (AM) is a promising advanced manufacturing process that can realize the personalized products in complex shapes with unprecedented materials. However, there are many quality issues that can restrict the wide deployment of AM in practice, such as voids, porosity, cracking, etc. To effectively model and further mitigate these quality issues, the cyber manufacturing system (CMS) is adopted. The CMS can provide the data acquisition functionality to collect the real-time process data which directly or indirectly related to the product quality in AM. Moreover, the CMS can provide the computation capability to analyze the AM data and support the decision-making to optimize the AM process. However, due to the characteristics of AM process, there are several challenges effectively and efficiently model the AM data. First, there are many one-of-a-kind products in AM, and leads to limited observations for each product that can support to estimate an accurate model. Therefore, in Chapter 3, I would like to discuss how to jointly model personalized products by sharing the information among these similar-but-non-identical AM processes with limited observations. Second, for personalized product realization in AM, it is essential to validate the product and process designs before fabrication quickly. Usually, finite element analysis (FEA) is employed to simulate the manufacturing process based on the first-principal model. However, due to the complexity, the high-fidelity simulation is very time-consuming and will delay the product realization in AM. Therefore, in Chapter 4, I would like to study how to predict the high-fidelity simulation result based on the low-fidelity simulation with fast computation speed and limited capability. Thirdly, the defects of AM are usually inside the product, and can be identified by the X-ray computed tomography (CT) images after the build of the AM products. However, limited by the sensor technology, CT image is difficult to obtain for online (i.e., layer-wise) defect detection to mitigate the defects. Therefore, as an alternative, I would like to investigate how to predict the CT image based on the optical layer-wise image, which can be obtained during the AM process in Chapter 5. The proposed methodologies will be validated based on two types of AM processes: fused deposition modeling (FDM) processes and selective laser melting processes (SLM).

Este é um estudo no campo teórico da Gestão de Operações Internacionais - IOM (International Operations Management), visto que a globalização dos negócios enseja e justifica pesquisas na gestão de seus sistemas produtivos crescentemente globalizados. Interesse especial recai sobre a teoria das Redes Internacionais de Manufatura - IMN (International Manufacturing Network). Uma IMN é um sistema coordenado de fábricas interdependentes, dispersas pelo mundo, interno a empresas multinacionais e sob controle direto de seus gestores. Seus elementos organizacionais são a Configuração, composta da dispersão geográfica e do papel estratégico de cada fábrica; e a Coordenação, composta da governança e dos processos operacionais da IMN. Uma das lacunas de pesquisa em IMNs trata do constructo \"avaliação de desempenho\". Apesar de ela ser um processo de feedback que é central à coordenação e ao gerenciamento estratégico de IMNs, pouco tem sido investigado sobre suas características, propósitos e efeitos. Isto é, as pesquisas têm investigado apenas o desempenho (resultado) em si, e não como ele é apurado e avaliado. Ademais, IMNs evoluem, na sua missão e características organizacionais, para cumprir estratégias que são dinâmicas por natureza. Logo, supõe-se que mecanismos de coordenação, como a avaliação de desempenho, por alinhamento interno, devam evoluir junto. A maior contribuição e deliverable desta tese foi propor um modelo que descreva e explique como avaliar o desempenho de IMNs. Baseado nos campos de IOM e Desempenho Organizacional, sua montagem combinou os elementos organizacionais de IMNs com as condições necessárias e suficientes à existência da avaliação de desempenho em uma organização. Desse modo, o modelo do processo de avaliação de desempenho de IMNs buscou incluir e lidar com complexos aspectos das organizações, que advêm tanto da sua busca por soluções gerenciais transnacionais quanto das suas condições competitivas. O modelo do processo foi então verificado empiricamente quanto a sua congruência e utilidade. Dada a prevalência de análises contextuais, o método de pesquisa escolhido foi o estudo de caso. O trabalho de campo ocorreu em três multinacionais brasileiras, escolhidas para maior riqueza de dados, entre outros critérios, por terem diferentes tipos de IMN e serem de diferentes indústrias. Os dados, tanto qualitativos quanto quantitativos, foram coletados por levantamento documental e entrevistas em cada empresa-caso, sendo então analisados longitudinal e transversalmente. Como resultado, as evidências sugerem que o modelo do processo aqui proposto é uma ferramenta congruente e útil para descrever e explicar como ocorre a avaliação de desempenho de uma IMN. Ademais, a avaliação de desempenho parece ser mais importante e estruturada em multinacionais cuja IMN tem coordenação de viés global (gerenciamento centralizado) bem como a estratégia de manufatura tende a produção \"enraizada\" (interna), trazendo assim mais contribuição à coordenação e ao gerenciamento estratégico da IMN. O modelo do processo e os descriptive insights gerados nesta tese ensejam pesquisas futuras tais como um survey amplo para levantar como as multinacionais de diversos setores e países têm avaliado o desempenho de suas IMNs, ou uma pesquisa-ação que prescreva a implantação de completa avaliação de desempenho, alinhada a um tipo particular de IMN. Para a prática, os resultados podem encorajar gestores a revisar e incrementar a avaliação de desempenho de suas IMNs, para tirar maior proveito desse processo gerencial. / The main objective of this doctoral thesis is to propose a performance assessment process model for International Manufacturing Networks (IMN). Despite performance assessment being a feedback process that feeds IMN coordination and strategic management, little research has been done regarding its purposes, features and effects. Based on the fields of International Operations Management and Organisational Performance, the process model development combined the constituent elements of IMNs with the necessary and sufficient conditions for the existence of performance assessment in an organisation. A multiple case research, in three multinational companies from Brazil, verified empirically the process model\'s fitness and usefulness. Data collected from company reports and interviews with two corporate managers in each case were examined with within-case analyses and then cross-case analysis. Evidence suggests the process model is a valuable tool for describing how IMN performance assessment unfolds. Additionally, IMN performance assessment seems to have higher importance and structure in multinationals whose manufacture tends to be rooted (in-house) and globally coordinated (centralized management), thus contributing more to IMN coordination and strategic management. Future research includes a large sample survey in multinationals from diverse industries and countries, and a workbook-based research action to implement a full-fledged performance assessment, aligned to a specific type of IMN. Furthermore, this study\'s process model and descriptive insights may encourage managers to improve the performance assessment of their and therefore optimize its utilization.

Este é um estudo no campo teórico da Gestão de Operações Internacionais - IOM (International Operations Management), visto que a globalização dos negócios enseja e justifica pesquisas na gestão de seus sistemas produtivos crescentemente globalizados. Interesse especial recai sobre a teoria das Redes Internacionais de Manufatura - IMN (International Manufacturing Network). Uma IMN é um sistema coordenado de fábricas interdependentes, dispersas pelo mundo, interno a empresas multinacionais e sob controle direto de seus gestores. Seus elementos organizacionais são a Configuração, composta da dispersão geográfica e do papel estratégico de cada fábrica; e a Coordenação, composta da governança e dos processos operacionais da IMN. Uma das lacunas de pesquisa em IMNs trata do constructo \"avaliação de desempenho\". Apesar de ela ser um processo de feedback que é central à coordenação e ao gerenciamento estratégico de IMNs, pouco tem sido investigado sobre suas características, propósitos e efeitos. Isto é, as pesquisas têm investigado apenas o desempenho (resultado) em si, e não como ele é apurado e avaliado. Ademais, IMNs evoluem, na sua missão e características organizacionais, para cumprir estratégias que são dinâmicas por natureza. Logo, supõe-se que mecanismos de coordenação, como a avaliação de desempenho, por alinhamento interno, devam evoluir junto. A maior contribuição e deliverable desta tese foi propor um modelo que descreva e explique como avaliar o desempenho de IMNs. Baseado nos campos de IOM e Desempenho Organizacional, sua montagem combinou os elementos organizacionais de IMNs com as condições necessárias e suficientes à existência da avaliação de desempenho em uma organização. Desse modo, o modelo do processo de avaliação de desempenho de IMNs buscou incluir e lidar com complexos aspectos das organizações, que advêm tanto da sua busca por soluções gerenciais transnacionais quanto das suas condições competitivas. O modelo do processo foi então verificado empiricamente quanto a sua congruência e utilidade. Dada a prevalência de análises contextuais, o método de pesquisa escolhido foi o estudo de caso. O trabalho de campo ocorreu em três multinacionais brasileiras, escolhidas para maior riqueza de dados, entre outros critérios, por terem diferentes tipos de IMN e serem de diferentes indústrias. Os dados, tanto qualitativos quanto quantitativos, foram coletados por levantamento documental e entrevistas em cada empresa-caso, sendo então analisados longitudinal e transversalmente. Como resultado, as evidências sugerem que o modelo do processo aqui proposto é uma ferramenta congruente e útil para descrever e explicar como ocorre a avaliação de desempenho de uma IMN. Ademais, a avaliação de desempenho parece ser mais importante e estruturada em multinacionais cuja IMN tem coordenação de viés global (gerenciamento centralizado) bem como a estratégia de manufatura tende a produção \"enraizada\" (interna), trazendo assim mais contribuição à coordenação e ao gerenciamento estratégico da IMN. O modelo do processo e os descriptive insights gerados nesta tese ensejam pesquisas futuras tais como um survey amplo para levantar como as multinacionais de diversos setores e países têm avaliado o desempenho de suas IMNs, ou uma pesquisa-ação que prescreva a implantação de completa avaliação de desempenho, alinhada a um tipo particular de IMN. Para a prática, os resultados podem encorajar gestores a revisar e incrementar a avaliação de desempenho de suas IMNs, para tirar maior proveito desse processo gerencial. / The main objective of this doctoral thesis is to propose a performance assessment process model for International Manufacturing Networks (IMN). Despite performance assessment being a feedback process that feeds IMN coordination and strategic management, little research has been done regarding its purposes, features and effects. Based on the fields of International Operations Management and Organisational Performance, the process model development combined the constituent elements of IMNs with the necessary and sufficient conditions for the existence of performance assessment in an organisation. A multiple case research, in three multinational companies from Brazil, verified empirically the process model\'s fitness and usefulness. Data collected from company reports and interviews with two corporate managers in each case were examined with within-case analyses and then cross-case analysis. Evidence suggests the process model is a valuable tool for describing how IMN performance assessment unfolds. Additionally, IMN performance assessment seems to have higher importance and structure in multinationals whose manufacture tends to be rooted (in-house) and globally coordinated (centralized management), thus contributing more to IMN coordination and strategic management. Future research includes a large sample survey in multinationals from diverse industries and countries, and a workbook-based research action to implement a full-fledged performance assessment, aligned to a specific type of IMN. Furthermore, this study\'s process model and descriptive insights may encourage managers to improve the performance assessment of their and therefore optimize its utilization.