Wertschöpfungskette der additiven Fertigung - Entwicklung einer KMU-spezifischen Wertschöpfungskette für additiv gefertigte Endbauteile aus Metall

Tim Niklas Mai, Martin Brylowski, Ayman Nagi und Wolfgang Kersten

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen durch das schichtweise Auftragsprinzip die wirtschaftliche Herstellung komplexer Bauteile in geringen Stückzahlen und gewinnen in der Industrie zunehmend an Bedeutung. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) profitieren von dem hohen Individualisierungspotenzial und können neue Geschäftsmodelle erschließen. Dem flächendeckenden Einsatz additiver Verfahren stehen allerdings hohe Fertigungskosten und technologische Herausforderungen gegenüber. Die Forschung konzentriert sich derweil auf die singuläre Optimierung einzelner Prozessschritte der additiven Fertigung und bietet für KMU keine ausreichende Hilfestellung. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich der vorliegende Beitrag mit der Entwicklung einer verfahrensübergreifenden Wertschöpfungskette der additiven Fertigung für KMU. Auf Basis einer systematischen Analyse wissenschaftlicher Literatur wurden relevante Fertigungsverfahren untersucht und eine verfahrensübergreifende Wertschöpfungskette abgeleitet. Die Ergebnisse wurden durch leitfadengestützte Experteninterviews verifiziert und zentrale Forschungs- und Entwicklungsbedarfe hergeleitet.

Die additive Fertigung hat sich in den letzten drei Jahrzehnten zu einer der weltweit bedeutendsten Herstellungstechnologien entwickelt und eine regelrechte Revolution der industriellen Fertigung bewirkt [1, 2]. Die in Medien und Öffentlichkeit oftmals unter dem einprägsamen Begriff 3D-Druck bezeichnete Technologie unterscheidet sich fundamental zu allen bisher bekannten konventionellen Fertigungsverfahren: Die gewünschte Produktgeometrie wird nicht durch das Abtragen oder Verformen vorhandenen Materials erreicht, sondern sukzessive durch wiederholtes Generieren und Aneinanderfügen kleiner Volumenelemente, bis das dreidimensionale Bauteil die angestrebte Form erreicht hat [3, 4]. So erlaubt die werkzeuglose Produktion unmittelbar aus einer digitalen Datei die stückzahlenunabhängige Fertigung hochkomplexer kundenindividueller Bauteile und bietet das Potenzial, die Durchlaufzeit und Komplexität der gesamten Wertschöpfungskette zu reduzieren [5-7].

Dem gegenüber stehen gegenwärtig hohe Fertigungszeiten und -kosten der wenig integrierten Herstellungsanlagen sowie diverse technologische Herausforderungen, die sowohl in einer geringen Reproduzierbarkeit der Bauteilqualität als auch in kostenintensiven und arbeitsaufwendigen Nachbearbeitungsschritten münden. Es lässt sich zusammenfassend festhalten, dass die additive Fertigung zum jetzigen Zeitpunkt primär in Nischenmärkten wettbewerbsfähig ist und nur zögerlich zur Herstellung von Endprodukten industrieweit Anwendung findet [1, 2, 8-10].

Zur übergreifenden Optimierung der Prozesse und Erschließung der Potenziale einer umfangreichen Industrialisierung bedarf es umfassender Untersuchungen der gesamten additiven Wertschöpfungskette. Ziel des Beitrags ist daher die Entwicklung einer verfahrensübergreifenden Wertschöpfungskette der additiven Fertigung von Endbauteilen aus Metall bei KMU der produzierenden Industrie und auf deren Grundlage Forschungs- und Entwicklungsbedarfe für den erfolgreichen Einsatz additiver Fertigungsverfahren in KMU zu gegeben.

 

Methodisches Vorgehen

Zur Bearbeitung der Problemstellung wurde ein zweistufiges Forschungsdesign erarbeitet. In der ersten Stufe wurde eine systematische Literaturrecherche (SLR) in Anlehnung an [11] und [12] durchgeführt, welche den Stand der Forschung umfassend abbilden konnte. In der zweiten Stufe wurden die zuvor generierten Ergebnisse mithilfe von leitfadengestützten Experteninterviews angereichert und verifiziert.

Als Datenbasis für die Literaturrecherche wurden im ersten Schritt vier interdisziplinäre Datenbanken ausgewählt („Scopus“, „Web of Science“, „WTI Frankfurt“ und „Perinorm“). Durch die Verwendung der wissenschaftlichen Datenbanken „Scopus“ und „Web of Science“ werden sowohl betriebswirtschaftliche als auch ingenieur- und naturwissenschaftliche, Peer-reviewte Publikationen in den Literaturbestand einbezogen. Um die Weite des Suchfelds auszudehnen, wurde ergänzend die Datenbank „WTI Frankfurt“ mit einem Fokus auf technisch-wissenschaftliche Beiträge herangezogen. Die Datenbank „Perinorm" enthält nationale, europäische und internationale Normen und findet vor dem Hintergrund der zunehmenden Standardisierung und Normierung in der additiven Fertigung Berücksichtigung. Zur Durchführung der SLR wurden auf Basis intensiver Vorrecherchen relevanten Suchbegriffe definiert und mithilfe von booleschen Operatoren („OR“ und „AND“) zu einem Suchstring verknüpft (Bild 1). 

 

Bild 1: Suchbegriffe der systematischen Literaturrecherche.

 

Dieser Suchstring wurde, angepasst an der jeweiligen Syntax, auf alle vier Datenbanken angewandt und ergab nach der Entfernung von Duplikaten eine kumulierte Anzahl von 1920 Ergebnissen. Zur Prüfung und Eingrenzung der Ergebnisse hinsichtlich ihrer formalen und inhaltlichen Eignung für die Zielsetzungen dieses Beitrages wurden Selektionskriterien definiert und stufenweise angewandt. So wurden die Ergebnisse in einem Titel- und Abstract-Screening sowie nachfolgendem Volltext-Screening schrittweise reduziert und 42 verbleibende Beiträge als relevant eingestuft. Das detaillierte Vorgehen der systematischen Literaturrecherche ist in Bild 2 beschrieben.

In der zweiten Stufe des Forschungsdesigns wurde der aktuelle Stand der Praxis zur Anreicherung und Verifizierung der Wertschöpfungskette im Rahmen von leitfadengestützten Experteninterviews nach [13] erhoben. Hierfür sind insgesamt acht Experten in acht verschiedenen Unternehmen befragt worden. Die Interviews dauerten zwischen 26 und 64 Minuten (der Durchschnitt liegt bei 41 Minuten) und wurden anschließend nach wissenschaftlichen Vorgaben transkribiert. Für ein umfassendes Verständnis der Wertschöpfungskette schließt die Untersuchung neben Interviews mit Führungskräften in KMU ebenfalls zwei Interviews mit Experten aus Unternehmensberatungen ein, wodurch wertvolle unternehmens- und branchenübergreifende Einblicke aus Beratungsprojekten gewonnen wurden. Die Zusammensetzung des Samples ist Bild 3 zu entnehmen.

Die Wertschöpfungskette wird in Anlehnung an das prozessorientierte Modell nach Porter [14] entwickelt. Neben den Vorteilen der einfachen Systematisierung und Analyse von Prozessschritten eignet sich dieses ebenfalls als gestaltungsbezogenes Instrument [15] und unterstützt somit im Forschungsprozess die Untersuchung von Interdependenzen zwischen Wertaktivitäten sowie nachfolgend deren Optimierung [2, 16]. Die untersuchten KMU lassen sich innerhalb eines Wertsystems zwischen den vor- und nachgelagerten Wertketten (Lieferanten- und Vertriebskanalwertketten) einbetten [17]. Wie sich aus der Literaturrecherche ableiten lässt, betrachtet die Forschung die vorgelagerten Wertaktivitäten bisher nur in geringem Umfang. Daher werden in der vorliegenden Untersuchung neben der Wertschöpfungskette des produzierenden Unternehmens zusätzlich die vorgelagerte Werkstoffherstellung (speziell: Pulverherstellung) als essenzieller Bestandteil der Wertschöpfungsaktivitäten untersucht und deren Auswirkungen auf die Prozessleistung und Qualität der Endbauteile dargestellt [18, 19]. 

 


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