Cloud Manufacturing: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft – ein Akademischer Überblick

Dies ist eine Gastpublikation von Robert Henzel, Doktorand an der Universität Stuttgart. Seine akademische Forschung konzentriert sich auf das Konzept der Cloud Manufacturing. Xometry unterstützte Roberts Studie durch die Bereitstellung von qualitativen Daten und ermöglichte dem Forschungsteam den Kontakt zu Xometry-Kunden.

Hintergrund der Fertigungsentwicklung

Kurze Geschichte der Fertigungstheorien

Die Fertigungsindustrie hat sich seit Jahrzehnten weiterentwickelt. Ein Weg, um klar zu sehen, in welche Richtung sich die Fertigungskonzepte entwickelt haben, ist die Betrachtung der Fertigungskonzepte aus der Perspektive von drei Abmessungen: „Kosten“; „Vielfalt“ und „Volumen“.

Development of production theories
Abbildung 1 – Entwicklung der Fertigungstheorien [1]

Wenn wir uns ansehen, welche Faktoren in welchem Zeitraum eine größere Rolle gespielt haben, können wir feststellen, dass in manchen Zeiträumen niedrigere Kosten erforderlich waren, in anderen – höhere Volumen. Die Fertigungsindustrie ist nun mit dem ultimativen Ziel konfrontiert, die Kosten zu senken, das Volumen zu erhöhen und gleichzeitig eine höhere Vielfalt zu bieten – da der Markt es einfach verlangt.

Geburt der Cloud Manufacturing und Neuheiten

Das Konzept der Cloud Manufacturing (kurz CMfg) wurde als neuartiges Fertigungsparadigma entwickelt, um all diese Marktanforderungen zu erfüllen. Der tatsächliche Zeitpunkt der Entwicklung dieses Konzepts war nicht zufällig, sondern geschah aufgrund der Entwicklung des Internets und der Informationstechnologie.

Um diese ersten Vorreiter zu ehren, waren Goldhar und Jelinek die ersten, welche die Idee von Manufacturing-as-a-Service in ihrem Aufsatz  “Manufacturing as a service business: CIM in the 21st century” formuliert haben, was als der wesentliche Ausgangspunkt für CMfg angesehen werden kann. Es ist wichtig zu beachten, dass CMfg kein “alter Wein in neuen Schläuchen” ist, sondern eher eine Neuheit.

Was ist Cloud Manufacturing?

Das Konzept der Cloud Manufacturing lässt sich erklären, wenn wir den fünfstufigen Prozess der Bestellung von Spezialteilen durchgehen.

Cloud Manufacturing principle
Abbildung 2 – Cloud Manufacturing Prinzip [2]

Anschauliche Erläuterung der entsprechenden Prozessschritte innerhalb des Cloud Manufacturing-Prinzips

  • Schritt 1: Ein Kunde gibt einen spezifischen Fertigungsauftrag in einer Cloud Manufacturing-Plattform ein.
  • Schritt 2: In dieser Cloud Manufacturing-Plattform gibt es eine Reihe verschiedener Lieferanten („Lieferant A, Lieferant B, oder es kann sogar ein bestimmtes Werk desselben Unternehmens sein, das den Auftrag eingereicht hat“). Cloud Manufacturing stützt sich also auf das Fertigungsnetzwerk, das nicht nur auf den hauseigenen Maschinen, sondern auch auf den externen Partnern basieren kann.
  • Schritt 3: Sobald der Auftrag aufgegeben wird, konstruiert die Cloud Manufacturing-Plattform einen spezifischen Fertigungsprozess, der auf die Erfüllung der Fertigungsaufgabe abzielt. Zum Beispiel können einige der Teile an einem Ort produziert werden, andere an einem anderen Ort und am dritten Ort nachbearbeitet werden. Daher sind die logistischen und fertigungstechnischen Prozesse nicht immer identisch. Abbildung 2 zeigt die Vielzahl der möglichen Fertigungsprozesse (N Anzahl von Fertigungsebenen).
  • Schritt 4: Die Plattform erkennt die Möglichkeit einer verspäteten Lieferung bei einem Fertigungsschritt für einen bestimmten Kundenauftrag (t2 in der Abbildung).  Während der ursprüngliche Fertigungsprozess ‚A‘ wie folgt geplant war: t2 → t3 → t4 (t2 wurde früher als der erste Fertigungsschritt behandelt), ändert die CMfg-Plattform die Wertschöpfungskette nun in: t1 → t3 → t4. Daher wird der gefährdete Fertigungsschritt (t2) eliminiert und eine neue Wertschöpfungskette aufgebaut.
  • Schritt 5: Die Finalisierung der Fertigungsaufgabe, die entsprechende Materiallogistik und die eigentliche Bearbeitung bestimmter Fertigungsschritte fließen gemäß der gerade konstruierten neuen Wertschöpfungskette. Schließlich wird das fertiggestellte Produkt an den Kunden geliefert.

Lücke zwischen Theorie und Praxis

Dies ist jedoch nur ein theoretischer Blick auf das Konzept. Um das tatsächliche Potenzial auszuschöpfen, muss sich die Branche noch weiter entwickeln.

Zum Beispiel besteht das Problem einer fehlenden standardisierten Kommunikation über verschiedene Maschinenanlagen von unterschiedlichen Anbietern und unterschiedlichen dazugehörigen Informationssystemen. Um das volle Potenzial von Cloud Manufacturing auszuschöpfen, muss der Informations- und Datenfluss integrativ und nahtlos sein. Solche Integrationen können das Cloud Manufacturing noch weiter vorantreiben und es ermöglichen, Instant Quoting Software direkt mit dem Netzwerk der Maschinen zu verbinden.

Quo Vadis Cloud Manufacturing?

Spekulationen über die Entwicklung des Cloud Manufacturing Marktes

Es gibt eine akademische Forschung, die es ermöglicht, die Entwicklung von Cloud Manufacturing zu beurteilen. Liu et. Al. (2019) [3] erwarten eine mehrstufige Entwicklung, entsprechend der folgenden Struktur:

  • Phase 1: “Vorläufige Implementierung”
  • Phase 2: “Relativ vollständige Implementierung”
  • Phase 3: “Vollständige Implementierung”
  • Phase 4: “Fertige Implementierung”

In Phase 1 werden nur wenige Arten von Ressourcen (z. B. CNC-Maschinen, CAD-Software usw.) in einer Cloud Manufacturing-Plattform zusammengefasst und dabei nur grundlegende einfache Funktionen und Anwendungen bereitgestellt. Gemäß ihrem Reifegradmodell wird dies im Laufe der Zeit schrittweise erhöht, bis hin zu Phase 4.

In Phase 4 werden alle möglichen Ressourcen in einer Cloud Manufacturing-Plattform zusammengefasst und alle notwendigen entsprechenden Plattformen und Fertigungsdienste bereitgestellt. So entsteht in der Realität die eigentliche Theorie der CMfg, die durch Abbildung zwei dargestellt wird. 

Darüber hinaus ist es interessant, die Arbeit von Wang und Peng (2013) zu erwähnen. Sie haben eine recht gute Arbeit geleistet, indem sie die Entwicklung des CMfg-Marktes diskutieren. Sie verwenden gängige Wirtschaftsmodelle, wie Spieltheorie und Gleichgewichtsanalysen. 

Sie verwenden ein dreistufiges Modell, um die Entwicklungsphasen des CMfg-Marktes anzunehmen: Erste Stufe, Zweite Stufe und Dritte Stufe. Jede Stufe sammelt einen größeren Prozentsatz der gesamten produzierenden Unternehmen auf dem Markt an. Ihre Stufen sind den oben beschriebenen Phasen 1 bis 4 sehr ähnlich.

Also, wo stehen wir heute? Eigentlich stehen wir erst am Anfang dieser Reise (Phase 1). Im Gespräch mit Fachleuten aus Praxis und Wissenschaft habe ich die übereinstimmende grobe Einschätzung erhalten, dass es bis zu weiteren 15-20 Jahren dauern wird, bis wir Phase 4 erreichen können.

Eine Illustration über die Entwicklung des Cloud Manufacturing Marktes

Im Folgenden sehen Sie die Illustration der Spekulationen über den Cloud Manufacturing-Markt von Wang und Peng, wobei die x-Achse das jeweilige Jahr bezeichnet und die y-Achse den prozentualen Anteil an den teilnehmenden Gesamtunternehmen angibt.

Es ist interessant, dass ihre Schätzung der dritten Stufe mit meinen Hypothesen über die benötigte Reifezeit von 15-20 Jahren übereinstimmt

Speculation on the Cloud Manufacturing Market
Abbildung 3 – Spekulationen über den Cloud Manufacturing-Markt

Cloud Manufacturing Landschaft

Es gibt bereits eine beträchtliche Anzahl von Erstanwendern in diesem Bereich. Robin Dechant hat eine großartige Übersicht über diesen neuen Markt erstellt. Ich werde nun zwei seiner Grafiken verwenden, um die Entwicklung in diesem Bereich zu veranschaulichen:

Die Entwicklung der Cloud Manufacturing-Landschaft

Manufacturing-as-a-service landscape
Abbildung 4 – Manufacturing-as-a-Service-Landschaft

Die erste offensichtliche Beobachtung ist die Namensgebung: Während der Begriff CMfg im Jahr 2018 noch weitgehend als eine Art Ersatzbegriff für 3D-Druck oder Prototyping behandelt wurde, hat er sich nun zu seinem eigentlichen Kernprinzip gewandelt: Manufacturing-as-a-Service (was letztlich auf Goldhar und Jelineks Formulierung zurückgeht). 

Wenn wir diese Übersichten analysieren, können wir erste Konsolidierungsprozesse auf dem Markt erkennen: z.B. zwischen 2018 und 2020 übernahm Xometry Shift. Shift wurde als das ehemals führende europäische Fertigungsnetzwerk in diesem Markt behandelt, während Xometry bereits im Vorfeld als globaler Marktführer angesehen wurde. 

Darüber hinaus stieg die Anzahl der Unternehmen auch unter Berücksichtigung der Konsolidierung um 34,4%, was den wachsenden Markt verdeutlicht. Im Markt für additive Fertigung ist der Trend ähnlich. Während 2019 die Anzahl der Unternehmen bei 171 lag, ist sie 2020 auf 240 gestiegen – was einen Anstieg von 40,35% zeigt.

Beobachtungen zur aktuellen Cloud Manufacturing-Landschaft

Wir können nun Folgendes feststellen:

  1. A clear uptrend in this market, given by the sole number of companies in both, CMfg-market and AM-market
  2. Not yet saturated market (as many new companies keep on appearing)
  3. Rising interest in traditional manufacturing for this new type of manufacturing: big companies are trying to catch this trend by creating spin-offs or daughter startup companies; whilst employees from traditional manufacturing companies leave to establish a new business
  4. Partial consolidation has already taken place
  5. Still huge gap between theory and practice. Analyzing this landscape more deeply, we are still arguably in the Phase 1

Gartner-Hype-Zyklus

Um diesen Abschnitt mit einem konkreten Analyse-Tool abzuschließen, wollen wir den berühmten Gartner-Hype-Zyklus verwenden. Seine Verwendung ist recht verbreitet, in der Theorie ebenso wie in der Praxis. Die zugrundeliegenden Hypothesen besagen, dass jede neue Technologie einen bestimmten Weg durchläuft: von einer ersten, groben Marktakzeptanz bis hin zu einer Hype-Blase.

Danach verliert sie an Einfluss und findet so etwas wie einen Boden der Akzeptanz. Zuletzt wird sie akzeptiert und wieder in der Aufmerksamkeit angehäuft.

In der folgenden Abbildung sechs habe ich die relevanten Dinge in roten Rechtecken markiert – wir nehmen (wie in Abschnitt zwei oben) den Begriff Smart Factory als Stellvertreterbegriff für CMfg.

Nach dem Gartner Hype Cycle befinden wir uns jetzt genau zwischen dem Höhepunkt der Erwartungen und dem Bereich der Ernüchterung. Das Plateau der Produktivität wird in den nächsten zwei bis fünf Jahren erreicht werden.

Gartner hype cycle for manufacturing operations strategy 2020
Abbildung 5 – Gartner-Hype-Zyklus für die Fertigungsbetriebsstrategie 2020 [4]

Was die Fertigungsindustrie erwarten kann

Nach mehreren Jahren der Forschung kann ich vermuten, dass in der Zukunft der Fertigungsindustrie viele Veränderungen zu erwarten sind. Ich habe meine Gedanken in drei Haupthypothesen gruppiert, die ich im Folgenden erläutere.

Wesentliche Umgestaltung der Lieferketten

Erstens werden traditionelle Lieferketten von CMfg ziemlich hart getroffen werden – die zugrundeliegenden Ineffizienzen werden systematisch ausgelöscht und das gilt per Definition auch für nicht wirtschaftlich arbeitende Unternehmen. CMfg wird sie irgendwann wieder einholen. Es wird eine Art Überlebenskampf geben.

Vorschriften ändern sich in der diskreten und Prozessfertigung

Die diskrete Fertigung wird bereits von der Prozessfertigung herausgefordert und soll langfristig von Fertigungsverfahren wie dem Cloud Manufacturing überholt werden.

Die Fertigungsindustrie lässt sich grob in diskrete und Prozessfertigung unterteilen. Bei der diskreten Fertigung geht man von einer Vervielfältigung identischer Produkte aus, die über ein Fließband vervielfältigt werden, während bei der Prozessfertigung das fertiggestellte Produkt nicht in seine Rohstoffe zerlegt werden kann.

Obwohl die diskrete Fertigungsindustrie derzeit am stärksten von dem Konzept der CMfg betroffen sein wird, ist es auch auf die Prozessfertigung anwendbar.

Für die Entwicklung von Cloud Manufacturing innerhalb der Prozessfertigung braucht es von Natur aus mehr Zeit, da es strenge Vorschriften über die Sicherheit am Arbeitsplatz, die Sicherheit des Fertigungsprozesses und allgemeinere Gesetzesnormen gibt. Obwohl dies kurzfristig mehr Zeit in Anspruch nehmen kann, ist dies auf lange Sicht eigentlich zugunsten von CMfg, da ein natürlich kontrollierterer Ort fruchtbar ist, um sich mit dem CMfg-Prinzip auszurichten. CMfg ist von Natur aus für die Kontrolle geschaffen.

Das liegt an dem angenommenen vollständigen Informationsaspekt oder dem Wissensmanagement-Aspekt der zugrunde liegenden Plattform. Anders ausgedrückt: Wenn es bei der Herstellung von etwas Bestimmtem kritische Vorschriften oder Einschränkungen gibt, ist die CMfg natürlich in der Lage, diese entsprechend und sorgfältig zu verarbeiten – denn sie weiß es einfach durch gegebenen Input!

Es wird sogar angenommen, dass ein kontrollierteres Themengebiet besser zu handhaben ist, da menschliche Fehler systematisch verringert werden.

Wahrnehmung aktueller Lösungen für Cloud Manufacturing in der realen Welt

Zum Abschluss dieses Abschnitts möchte ich mit Erkenntnissen aus einem seltenen, geschäftsbezogenen CMfg-Papier von Charro und Schaefer [14] schließen, welche die Wahrnehmung von Cloud Manufacturing durch potenzielle Bearbeitungsanbieter analysiert haben. Ich lasse die Wissenschaft dort stehen und bleibe bei den abschließenden Bewertungsergebnissen ihres Modells, die in der folgenden Tabelle eins dargestellt sind:

Model survey evaluation
Auswertung der Modellumfrage [5]

Mit Blick auf die positive Seite werde ich jeden der negativen Aspekte argumentieren und versuchen, sie im Hinblick auf die langfristige Lebensfähigkeit des Konzepts der CMfg zu mindern.

Hier sind meine Gedanken dazu, warum das negative Feedback eher als Angst anstatt als wirkliche Probleme des Cloud Manufacturing betrachtet werden sollte.

Konflikt mit der Unternehmenskultur„, „Unternehmen wollen Maschinenbesitz„, „Abneigung gegen Veränderungen„, „Zusammenarbeit mit unbekannten Personen“ sowie „Gier der Maschinenbetreiber“ sind allesamt eher subjektive als objektive Aussagen.  Alle diese werden mehr oder weniger vollständig abgeschwächt, wenn man Faktoren wie „Unterstützung durch das Top-Management„, „Kompatibilität“ und „Erprobbarkeit“ berücksichtigt. Sobald diese Faktoren eingeführt sind, verschwinden diese eher subjektiven Empfindungen, argumentiere ich. Es handelt sich tatsächlich um eine Art Denkprozess, der ausgerichtet und entwickelt werden muss.

Für die verbleibenden negativen Faktoren in der Tabelle behaupte ich, dass diese Dinge deutlich abnehmen werden, wenn CMfg gemäß den Prognosen der Theorie ausgereift ist. Diese verbleibenden negativen Faktoren sind im Grunde alle auf den noch nicht ausgereiften Status von CMfg zurückzuführen, da sich dieses Konzept noch in der Entwicklungsphase befindet.

Fazit

Der Industriemarkt und seine Nachfrage verschieben sich. Es wurden verschiedene Fertigungsparadigmen vorgeschlagen, um mit dieser spezifischen Veränderung fertig zu werden. Ich gehe davon aus, dass Cloud Manufacturing das vielversprechendste Modell in dieser Hinsicht ist.

Die Theorie entwickelt sich immer rascher; überall auf der Welt werden Unternehmen gegründet. Die allgemeine Akzeptanz für Dinge wie Cloud Computing hilft auch dabei, Cloud-basierte Fertigungsparadigmen wie Cloud Manufacturing zu akzeptieren.

In einem anderen Artikel von mir über Cloud Computing, in dem ich das entscheidende und unbestreitbare Aufkommen von Cloud Computing erläuterte, erklärte ich, dass es gekommen ist, um zu bleiben. Das Gleiche gilt für die Zukunft von CMfg. Entweder man akzeptiert den Wandel in der Fertigungsindustrie, oder man tut es nicht. Wenn man sich entscheidet, diese Transformation zu ignorieren, setzt man sein Geschäft aufs Spiel oder anders ausgedrückt – es ist eigentlich sehr ähnlich, wie wenn man versucht, das Internet im Allgemeinen zu ignorieren: „Es ist nur ein Trend, wir müssen nicht jedem Trend folgen!“ Ich glaube, dass es NICHT ein Trend ist. Es ist die vorbestimmte Zukunft der Fertigung, ceteris paribus (alles andere ist gleich).

Wenn Cloud Manufacturing nicht früher kommt, dann wird es später kommen. Cloud Manufacturing ist ein vielversprechender Weg, um die Trendwende im Fertigungsmarkt anzuerkennen.

Abschließend möchte ich mit dem Titel eines der referenzierten Papiere schließen: „Ist Cloud Manufacturing ein Mythos oder die Zukunft der globalen Fertigung?“. Meiner Meinung nach ist es die Zukunft der globalen Fertigung. Steigen Sie ein, liebe Leute!

Robert Henzel, Doktorand der Universität Stuttgart

Quellen

[1] S. Kubler, J. Holmström, K. Främling, and P. Turkama. Technological theory of cloud manufacturing. In Service Orientation in Holonic and Multi-Agent Manufacturing – Proceedings of SOHOMA 2015, Cambridge, UK, November 5-6, 2015, pages 267–276, 2015.
[2] Skarlat, O. (2020) https://www.researchgate.net/publication/305780155_Elastic_Manufacturing_Process_Landscapes (Accessed on: 15.12.2020)
[3] Yongkui Liu, Lihui Wang, Xi Vincent Wang, Xun Xu & Pingyu Jiang (2019):
Cloud manufacturing: key issues and future perspectives, International Journal of Computer
Integrated Manufacturing, DOI: 10.1080/0951192X.2019.1639217
4] https://www.gartner.com/en/documents/3988511/hype-cycle-for-manufacturing-operations-strategy-2020, accessed: 16.12.2020
[5] Alberto Charro & Dirk Schaefer (2018) Cloud Manufacturing as a new type of Product-Service System, International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 31:10, 1018-1033, DOI: 10.1080/0951192X.2018.1493228

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