Rapid Manufacturing

Diplomarbeit von Felix Bopp

Einleitung:

Die generativen Fertigungsverfahren sind eine verhältnismäßig junge Technologie. Die erste industriell einsatztaugliche Maschine wurde 1987 von der amerikanischen Firma 3D-Systems auf den Markt gebracht. Generative Fertigungsverfahren werden in unterschiedlichen Anwendungsfeldern eingesetzt. Das bis heute dominierende Feld ist die Produktentwicklung, bei der das Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Mustern eingesetzt wird (Rapid Prototyping). Seit einigen Jahren gibt es unter der Bezeichnung Rapid Manufacturing (RM) erste Ansätze, direkt einsatzfähige Endprodukte mittels generativer Fertigungsverfahren herzustellen. Dieses Feld wird in der vorliegenden Arbeit untersucht.

Mit Rapid Manufacturing ist es möglich, Bauteile oder Bauteilgruppen in nahezu beliebigen Formen herzustellen. Dazu werden keine formspezifischen Werkzeuge, Vorrichtungen oder Einstellungen benötigt. Eine Umrüstung zwischen der Produktion zweier Bauteile, die sich in ihrer Geometrie unterscheiden, ist nicht notwendig. Generative Verfahren bieten sich besonders für die Herstellung von Einzelstücken oder Kleinserien an. Weiterhin ist der Produktionsvorgang in hohem Grade automatisiert.

Produkte werden häufig am Computer entwickelt, somit liegt nach der Entwicklungsphase eine dreidimensionale CAD-Datei (Computer Aided Design) des Produktes vor. Generative Fertigungsmaschinen können diese Daten verarbeiten, d.h. das Produkt kann direkt aus der Computerdatei heraus hergestellt werden. Bildhaft ausgedrückt lässt sich das Produkt im Idealfall komplett per Mausklick ‘ausdrucken’.

Aufgrund der digitalen Anbindung können Produktionsaufträge leicht transferiert werden. Das bietet Ansätze für neue Dienstleistungskonzepte und verspricht hohe Skalierbarkeit und Flexibilität. Es bieten sich Möglichkeiten, Produktionsabläufe und ganze Wertschöpfungsketten neu zu gestalten und die Wertschöpfung über Unternehmensgrenzen hinaus zu organisieren.

Letztlich kann die zukünftige Entwicklung dazu führen, dass auch der Endkunde Zugriff auf die Produktionstechnologie erhält. In Kombination mit der erwähnten Digitalisierbarkeit und Transferierbarkeit von Produktbauplänen ergeben sich bahnbrechende Ansätze.

Problemstellung:

Innerhalb der sogenannten Rapid-Branche, also dem Netzwerk aus Anlagenherstellern, Dienstleistern und Forschungseinrichtungen, die sich mit generativen Fertigungsverfahren auseinandersetzen, war in den 90er Jahren eine Euphorie bzgl. RM zu verzeichnen. Es folgte daraufhin allerdings eine Phase der Ernüchterung. Die technischen Möglichkeiten befanden sich in einem rudimentären Stadium. Qualität, Kosten und Materialeigenschaften ließen eine Anwendung der generativen Fertigung über den Prototypenbereich hinaus nicht zu. In den letzten Jahren konnten erste Erfolge im RM realisiert werden; seitdem lässt sich eine neue Welle der Innovationsfreudigkeit erkennen. Die meisten Anwendungsfelder liegen im Bereich der Investitionsgüter, in jüngster Zeit sind jedoch auch Erfolge im Konsumentensegment zu verzeichnen. Neben bestehenden Unternehmen versuchen einige Start-Up, neue Konzepte auf Basis der generativen Technologie umzusetzen.

Die Wertschöpfungsorganisation im produzierenden Sektor wurde seit Beginn der Industrialisierung von den jeweils eingesetzten Fertigungsmethoden geprägt. Generative Fertigungsverfahren stellen den klassischen Produktionsmethoden eine neue Form der Fertigungsmöglichkeit gegenüber und weisen Eigenschaften auf, die sich direkt auf die Fertigungsorganisation auswirken. Vor dem Hintergrund der Technologie und ihrer Möglichkeiten können aus theoretischer Sicht Überlegungen über die ökonomischen Auswirkungen angestellt werden. RM bietet Voraussetzungen, die eine Institutionalisierung neuer oder zumindest modifizierter Wertschöpfungsmodelle im Produktionssektor vermuten lassen.

Die generative Technologie ist von einem dynamischen Fortschritt über die letzten Jahre geprägt und es sind weitere Schlüsselerfolge in der Zukunft zu erwarten. Trotz dieses Fortschritts gilt es einen realistischen Blick zu behalten. Aufgrund vieler Restriktionen sind bis heute nur in begrenztem Rahmen Produkte mittels RM herstellbar. Jedoch werden die Branchen und Unternehmen, deren Produkte sich heute oder in Zukunft für die generative Fertigung eignen, mit Auswirkungen auf die Wertschöpfungsorganisation in ihrem Wettbewerbsumfeld konfrontiert.

Zielsetzung:

In der vorliegenden Arbeit wird versucht, vor dem Hintergrund der generativen Fertigungstechnologie zukünftige Wertschöpfungsmodelle abzuleiten. Als Ausgangspunkt muss deshalb die Technologie vorgestellt werden. Dabei gilt es, die Aspekte hervorzuheben, die gegenüber herkömmlichen Produktionsverfahren neu und ökonomisch relevant sind. Desweiteren soll die Betrachtung unter Berücksichtigung der zukünftigen Entwicklung des RM stattfinden.

Aus diesen Überlegungen ergibt sich als erste Forschungsaufgabe die Darstellung der generativen Technologie mit Herausarbeitung der ökonomisch relevanten Kriterien, sowie die Entwicklung eines Szenarios über den Fortschritt der Technologie und ihrer Umwelt.

Ziel ist es, eine ausreichende Grundlage für das weitere Vorgehen aufzustellen, ohne dabei zu tief auf technische Einzelheiten einzugehen. In Bezug auf die Vorhersage über die weitere Entwicklung der Technologie ist es nicht Ziel dieser Arbeit, eine quantitative und terminierte Prognose aufzustellen, sondern es soll eine generelle Richtung aufgezeigt werden. Es gilt ein Klima zu definieren, in dem die Betrachtung der zukünftigen Wertschöpfungsmodelle stattfinden kann. Die anschließende Forschungsfrage lautet folgerichtig:

Welche zukünftigen Wertschöpfungsmodelle sind mit Rapid Manufacturing unter Berücksichtigung der getroffenen Vorhersagen denkbar?

Auf der einen Seite ist es Ziel, möglichst realistische Ansätze zu verfolgen, auf der anderen Seite soll ein Blick in die Zukunft getätigt werden, was naturgemäß Unsicherheiten mit sich bringt. Hier gilt es eine Gradwanderung zu meistern. Wenn möglich, sollen Beispiele, die bereits am Markt zu finden sind, mit in die Untersuchung einfließen.

Jedes theoretisch mögliche Wertschöpfungsmodell zu betrachten würde zum einen den Rahmen dieser Arbeit sprengen, zum anderen ist es aufgrund der Zukunftsperspektive nicht möglich, Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Daher gilt es, die grundlegenden Effekte zu erfassen und so zu strukturieren, dass auch nicht aufgezeigte Modellvarianten zuordenbar sind. Die Untersuchung soll den Einfluss von RM auf die Wertschöpfungsstruktur hervorheben.

Ein weiteres Ziel ist die Sensibilisierung des Lesers für etwaige tiefgreifende Veränderungen, die bei einer zukünftigen Etablierung von RM denkbar sind.

Es ist nicht beabsichtigt, Geschäftsmodelle zu erarbeiten, die direkt als Blaupause für zukünftige Unternehmungen dienen. Vielmehr kann diese Arbeit als Versuch gesehen werden, zukünftige strukturelle Entwicklungen abzuschätzen. Es sollen Perspektiven aufgezeigt werden, die den Leser zu weiteren Überlegungen anregen.

Methode:

Um der Zielsetzung gerecht zu werden, ist ein umfassender Überblick über das Umfeld der generativen Technologie sowie eine eingehende Kenntnis der technischen Möglichkeiten notwendige Bedingung. Nur so können die Aspekte von RM erfasst und kom-primiert wiedergegeben werden, besonders vor dem Hintergrund des zukunftsorientierten Charakters dieser Arbeit.

Erste Grundlagen zur Informationsgewinnung bilden zahlreiche Besuche von Fachmessen, Veranstaltungen, Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Diesem Einstieg folgt eine ausgiebige Literaturrecherche. Der Großteil der Literatur über generative Fertigung behandelt technische Fragestellungen, wobei sich die meisten Veröffentlichungen auf Rapid Prototyping und erst neuerdings auch auf RM beziehen. Werden dort betriebswirtschaftliche Perspektiven angesprochen, findet dies häufig in Form von Case Studies statt, in denen sich die Untersuchung auf den Kostenvergleich zu anderen Fertigungsverfahren beschränkt. Beschreibungen von Wertschöpfungsmodellen sind an dieser Stelle nur vereinzelt zu finden.

Die Beschreibung der generativen Fertigung und ihrer ökonomischen Aspekte kann gestützt auf Literaturquellen erfolgen. Auch für die Vorhersage über die zukünftige Entwicklung der Technologie wird soweit wie möglich auf Prognosen aus der Literatur zurückgegriffen. Methodisch wird ein Szenario erstellt, dass mehrere zu erwartende Entwicklungen umfasst. Für die Untersuchung in dieser Arbeit kann auf eine genaue zeitliche oder quantitative Festlegung verzichtet werden, da für die Lösung der Forschungsaufgabe die Vorhersage von Entwicklungstrends ausreicht.

In der Literatur wird der Begriff Wertschöpfung nicht durchgehend einheitlich verwendet, was auch auf die gleichzeitige Herkunft aus der Volkswirtschafslehre zurückzuführen ist. Daher ist es notwendig, den Begriff für diese Arbeit näher zu beleuchten. Zur Arbeit an den Wertschöpfungsmodellen sowie zur grafischen Darstellung wird auf in der Lehre verbreitete Konzepte zurückgegriffen.

Die Rapid-Branche unterliegt einer raschen Entwicklung. Einige der Wertschöpfungsmodelle befinden sich bereits in Umsetzung oder können in naher Zukunft realisiert werden. Daher sollen sowohl für die Entwicklung des Szenarios als auch der Wertschöpfungsmodelle bereits heute erkennbare Tendenzen und Ansätze Berücksichtigung finden.

Der Einsatz generativer Fertigungsverfahren wirkt sich je nach Integrationstiefe unterschiedlich stark auf die Wertschöpfungsorganisation aus. Erst wenn sich ein Produkt komplett generativ herstellen lässt, sind größere strukturelle Auswirkungen zu vermuten, daher soll diese Annahme Vorgabe für die vorliegende Arbeit sein.

Gang der Untersuchung:

In Kapitel 2 werden die generativen Fertigungsverfahren vorgestellt. Nach einer einleitenden Erklärung des grundlegenden Prinzips werden wichtige Aspekte der Technologie näher betrachtet. Dabei wird der Fokus auf betriebswirtschaftlich relevante Kriterien gerichtet. Abschließend werden einige weitere Begriffe aus dem Umfeld der generativen Verfahren vorgestellt.

In Kapitel 3 wird eine Einschätzung über die weitere Entwicklung der Technologie in Form eines einfachen Szenarios vorgenommen. Zusätzlich wird ein Blick über die technologischen Aspekte hinaus auf die Umwelt des RM getätigt. Abschließend werden prädestinierte Branchen für RM aufgezeigt.

In Kapitel 4 werden die Wertschöpfungsmodelle untersucht. Eingangs wird der Begriff ‘Wertschöpfung’ näher beleuchtet und eine geeignete Darstellungsform festgelegt. Anschließend werden die Aspekte der nachfrageorientierten und schlanken Wertschöpfung mit den Möglichkeiten der generativen Fertigungstechnologie in Verbindung gebracht. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4.4 mit der interaktiven Wertschöpfung sowohl die Thematik der Produktindividualisierung als auch des Co-Design angesprochen. Anschließend werden beide Bereiche zusammengeführt.

Ein weiterer Aspekt ist die Flexibilität von Rapid Manufacturing, dieser wird in Kapitel 4.5 untersucht. Es werden die Möglichkeiten der Zentralisation und Dezentralisation von Produktion beschrieben. Daraus abgeleitet soll die Möglichkeit des Cloud Producing als eine neue dynamische Form der Distribution von Produktion vorgestellt werden. Kapitel 4.6 zeigt auf, welche Effekte diese Ergebnisse in Bezug auf Markteintrittsbarrieren mit sich bringen.

Letztlich kann die Produktion auch beim Endverbraucher stattfinden. Dieser Ansatz ist von einem fortgeschrittenen Zukunftscharakter geprägt und bringt gravierende Veränderungen mit sich. Daher soll eine exklusive Betrachtung in Kapitel 5 stattfinden.

Kapitel 6 schließt die Arbeit mit einem kurzem Fazit und Ausblick ab.

Inhaltsverzeichnis:

	Abbildungsverzeichnis	IV
	Abkürzungsverzeichnis	IV
1.	Einleitung	1
1.1	Problemstellung	2
1.2	Zielsetzung	3
1.3	Methode	5
1.4	Vorgehensweise	6
2.	Die generative Fertigungstechnologie	8
2.1	Die ersten historischen Ansätze der Technologie	8
2.2	Das generative Verfahren	9
2.2.1	Das Prinzip des schichtweisen Aufbaus	9
2.2.2	Verfahrensgruppen	10
2.2.3	Stützkonstruktion	11
2.3	Aspekte der generativen Fertigungstechnologie	12
2.3.1	Produktbezogene Aspekte	12
2.3.2	Prozessbezogene Aspekte	13
2.3.3	Ökonomische Aspekte	14
2.4	Begriffe aus dem Umfeld der generativen Fertigungstechnologie	16
3.	Die Zukunft des Rapid Manufacturing	19
3.1	Konzeption eines Szenarios	19
3.2	Das Szenario über die zukünftigen Entwicklungen	20
3.2.1	Die technologische Entwicklung	20
3.2.2	Die ökonomische Entwicklung	23
3.2.3	Die soziokulturelle Entwicklung	26
3.2.4	Die politisch/rechtliche Entwicklung	27
3.3	Anwendungsbereiche für Rapid Manufacturing	28
4.	Wertschöpfungsmodelle mit Rapid Manufacturing	30
4.1	Wertschöpfung und ihre Darstellungsform	31
4.2	Nachfrageorientierte Wertschöpfung	32
4.3	Schlanke Wertschöpfung	32
4.4	Interaktive Wertschöpfung	32
4.4.1	Produktindividualisierung (Mass Customization)	32
4.4.1.1	Direkte Kommunikation mit dem Kunden	32
4.4.1.2	Individualisierung über Intermediär	32
4.4.2	Open Innovation und Co-Design	32
4.4.3	Open Innovation, Mass Customization und Rapid Manufacturing	32
4.5	Die Grenzenlose Produktion	32
4.5.1	Vor-Ort-Produktion	32
4.5.2	Layer Player	32
4.5.2.1	Spezialisierte Dienstleister	32
4.5.2.2	Nichtspezialisierte Dienstleister	32
4.5.3	Cloud Producing	32
4.6	Auswirkungen auf die Markteintrittsbarrieren	32
5.	Die Produktion beim Konsumenten	32
5.1	Bezugsquellen für Produktdaten	32
5.1.1	Selbsterstellte und eingescannte Produktdaten	32
5.1.2	Kostenpflichtige Produktdaten	32
5.1.3	Frei verfügbare Produktdaten	32
5.1.4	Darknet	32
5.2	Die schwindende Verfügungsmacht über die Wertschöpfung	32
5.2.1	Gefahr durch die Digitalisierung der Produkte	32
5.2.2	Auswirkungen auf starke Marken	32
5.2.3	Gefahren im industriellen Sektor	32
5.3	Alternative Ansätze zur Wertschöpfung im Umfeld des Fabbers	32
6.	Fazit und Ausblick	32
	Literaturverzeichnis	XXXII
	Danksagung	XXXII
	Anhang	XXXII

Textprobe:

Kapitel 4.4.2, Open Innovation und Co-Design:

Während im klassischen Innovationsmanagement Produkte innerhalb der Unternehmensgrenzen entwickelt werden, soll mit Open Innovation der Kunde für eine gemeinschaftliche Generierung von Innovationen gewonnen werden. Open Innovation dient der Findung grundlegender Innovationsideen, was Freiheiten in Form eines großen Lösungsraumes und Trial-and-Error-Möglichkeiten erfordert. Der Zugang ist auf wenige Lead-User beschränkt, die den Innovationsprozess begleiten.

Mit Co-Design wird dieser Spielraum eingeengt und allen Nutzern zugänglich gemacht. In einem vordefinierten Lösungsraum kann der Nutzer mit fertigen Modulen ein Produkt nach dem Lego-Prinzip individualisieren. Dabei steht weniger die Neuentwicklung eines Produktes als die Individualisierung im Vordergrund; diese allerdings kann vom Kunden ‘durchaus als (inkrementelle) Innovation wahrgenommen werden’. Eine Abgrenzung zwischen Open Innovation und Co-Design sowie Mass Customization ist nicht immer eindeutig auszumachen.

Wird Arbeit auf den Kunden z. B. durch Selbstbedienung abgewälzt, kommt dem Unternehmen diese Arbeitsleistung als Kostenersparnis zugute. Allerdings kann das Unternehmen nicht über die Produktivität des Kunden verfügen. Durch Co-Design und Open Innovation wird diese vom Kunden abgekoppelt, das Unternehmen kann sie sich aneignen. Aus der Innovationsleistung des Kunden können wertvolle Informationen gewonnen und internalisiert werden. Damit wird der Konsument zum ‘strategischen Element des direkten Wertschöpfungskalküls von Unternehmen’.

Open Innovation, Mass Customization und Rapid Manufacturing:

Die zunehmende Einbindung in die Wertschöpfung führt beim Kunden zu einer Veränderung des Selbstverständnisses. Er wird sich seiner produktiven und ökonomisch relevanten Leistung bewusst. Er entwickelt sich vom Co-Designer bis hin zum Unternehmer. Auf Plattformen wie eBay kann er seine durch den Konsum erlangten Kompetenzen ausbauen und vermarkten. Der Käufer ist selbst Verkäufer. Etsy.com ist ein Beispiel für den nächsten Schritt, die Nutzer handeln dort ausschließlich mit selbst produzierten Waren. Der Konsument wird zum Produzent.

Aus diesen Beispielen ist eine grundlegende Bereitschaft des Konsumenten erkennbar, Zeit mit Aufgaben zu verbringen, die bisher in Unternehmen stattfanden. Unternehmen können die Entscheidung treffen, inwieweit sie den Kunden als Ressource in ihre Wertschöpfung integrieren. Das Crowdsourcing basiert auf der Idee, Aufgaben aus dem Unternehmen auf eine große Anzahl von freiwilligen Freizeitarbeitern auszulagern. Erfolgreiche Beispiele sind Wikipedia oder die Open-Source-Software Linux.

Werden die vorgestellten Strategien Open Innovation, Co-Design und Mass Customization unter Ausnutzung des Crowdsourcing-Effektes zusammengeführt, kann als Folge ein dynamischer Pool mit einem hohen Grad an Innovations- und Individualisierungsleistung entstehen. Mit RM kann diese Dynamik bis zu einem gewissen Grad auf die Herstellung physischer Güter übertragen werden.

Aggregat dieser Überlegungen ist eine interaktive Plattform, auf der unter Ausnutzung des Netzwerkkreuzeffektes Produkte entwickelt und gehandelt werden. Durch die Her-stellung mittels generativer Fertigungstechnologie können neue Produkte und Veränderungen an bestehenden Produkten sofort umgesetzt werden. Aktive Nutzer können Produkte online entwerfen und Entwicklungen anderer Designer weiterführen. Die Folge wäre eine kollaborative Produktentwicklung wie bei Open-Source-Software, jedoch für physische Produkte. Passive Nutzer können die Produkte beziehen, eventuell nach einer persönlichen Individualisierung, die ohne großen Aufwand vorgenommen werden kann. Das Internet ermöglicht die Kommunikation, die generativen Fertigungsverfahren die Produktion.

Ein Beispiel für eine solche Plattform ist in Anfängen bei shapeways.com zu finden. Die Nutzer können online Produkte entwerfen und anderen Usern zur Verfügung stellen (kostenpflichtig oder frei), die sie dann von Shapeways generativ herstellen und sich zusenden lassen. Ein ähnliches Beispiel ist ponoko.com, wobei hier die Produktionstechnologie noch auf zweidimensionales Lasercutting von Platten unterschiedlicher Materialien beschränkt ist.

Die Wertschöpfung in diesem Modell ist auf drei Teilnehmergruppen verteilt.

Designer entwerfen und verkaufen Produktentwicklungen gegen Geld und Reputationsgewinn. Endverbraucher individualisieren die Produkte (in einem durch die Designer definierten Rahmen) und bestellen sie anschließend. Zwischen Designern und Abnehmern entsteht ein zweiseitiger Markt mit einer Wertschöpfungs-spirale. Je mehr Designer und Abnehmer die Plattform frequentieren, desto mehr profitiert die jeweils andere Seite davon. Als dritte Marktseite kann das produzierende Unternehmen gesehen werden, das die physische Umsetzung der Produkte sowie den Versand anbietet. Das kann der Anbieter der Plattform oder ein extern angebundener Produktionsdienstleister sein. Wird die Produktion auf mehrere Dienstleister verteilt, entsteht ein zusätzlicher Wettbewerbsmarkt, der sich positiv für die anderen Plattformteilnehmer auswirken kann. Mögliche Ansätze für die Verteilung von Produktion werden im folgenden Kapitel beschrieben.