Nutzungsdauerbasierte Geschäftsmodelle in der Produktion

Ausgabe 7/8-2021, S. 548

1 Einleitung

Die Entwicklungstrends in allen Industriebereichen der Wirtschaft gehen einher mit Komplexitätssteigerungen und kürzer werdenden Innovationszyklen von Produkten. Dabei wird auf Funktionsoptimierung und -erweiterung, den stetigen Ausbau markanter Designs und Usability sowie auf eine kostenoptimale Produktstruktur abgezielt. Die Anforderungen aus den Produkten spiegeln sich in wachsenden Herausforderungen für die Produktionstechnik in den Themenfeldern Flexibilität, Leistungsfähigkeit, Verfügbarkeit und Teilequalität (gemeinhin als OEE – Overall Equipment Efficiency bezeichnet) wieder. Gepaart mit den steigenden Bedürfnissen an nachhaltigen und resilienten Produktionsnetzen gewinnen zunehmend wandlungsfähige, agile Produktionssysteme an Wichtigkeit.

Die Erweiterung physischer Produktionssysteme durch digitale Infrastruktur und intelligenten Komponenten (vgl. beispielsweise [1]) sowie die damit einhergehenden Möglichkeiten zur Produktionsüberwachung und -steuerung bieten großes Potenzial, den genannten Herausforderungen zu begegnen. Darüber hinaus können weitere positive Effekte im Produktportfolio von Maschinenanbietern und -betreibern durch Sekundärverwertung dann zusätzlich verfügbarer Optionen erzielt werden (vgl. [2]). Für Unternehmen ergibt sich daraus die Herausforderung, durch Geschäftsmodelle an diesen Möglichkeiten zu partizipieren (vgl. [3]). Pay-per-Use-Geschäftsmodelle können helfen, bestehende Hemmnisse und Herausforderungen bei der Realisierung einer wandlungsfähigen, agilen Produktion zu lösen.

Insbesondere bei komplexen Produkten, Prozessen und Dienstleistungen innerhalb der Produktionstechnik liegen (anders als bei weniger komplexen Produkten anderer Branchen) notwendige technische Zusammenhänge zur Realisierung eines technisch-wirtschaftlich funktionierenden Geschäftsmodells oftmals nicht vor und sind von einer Vielzahl an individuellen Einflussgrößen abhängig (Höhe des Maschinenwerts, Lebenszykluskosten, Qualitätskenngrößen, Prozessfenster, Produktionsspektrum, …). Die für eine Geschäftssicherheit notwendige Transparenz von Maschine, Prozess und Wirtschaftlichkeit ist somit oftmals nicht gegeben, weshalb Pay-per-Use-Geschäftsmodelle innerhalb der Produktionstechnik nur beschränkt Anwendung bei komplexen Produkten, Prozessen und Dienstleistungen finden.

Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojektes „ZuPro2Flex“ wird die Lücke zwischen notwendigem Wissen und Umsetzung geschlossen. Der industrielle Mittelstand soll mit entsprechenden Werkzeugen und Informationen in die Lage versetzt werden, Pay-per-Use-Geschäftsmodelle zu erproben beziehungsweise umzusetzen. Hierfür werden zentrale technisch-technologische und technisch-wirtschaftliche Fragestellungen bezüglich der Wahrung der Geschäftssicherheit bei der Bestimmung und Übermittlung von abrechnungsrelevanten Daten, der Einführung und Planung von Pay-per-Use-Geschäftsmodellen für bestehende Produkt­architekturen sowie der Realisierung entsprechender Über­wachungs- und Assistenzsysteme eruiert. Die Basis dafür bildet ein Grundmodell, Bild 1, welches die Herausforderungen für Maschinenanbieter und -anwender entlang des technischen Pfades von Maschine zu Werkstück berücksichtigt.

In den folgenden Abschnitten werden die genannten Fragestellungen diskutiert und die im Projekt anvisierten Lösungsbausteine vorgestellt.

2 Pay-per-Use-Readiness und -Planung

Obwohl Pay-per-Use-Geschäftsmodelle und -Vorgehensweisen ausreichend publiziert sind (vgl. beispielsweise [4–6]), wendet sich der Mittelstand nicht oder nur zögerlich diesen neuen Geschäftsmodellen zu (vgl. [7]). Insbesondere Pay-per-Use-Geschäftsmodelle werden lediglich in Geschäftsbereichen der Versorgung und Bereitstellung von Ressourcen (etwa Druckerzeugnisse, Energie, Wasser) angewendet, da hiermit oftmals überschaubare Geschäftsrisiken verbunden sind. Denn in diesen Branchen sind die technisch-wirtschaftlichen Zusammenhänge, welche die Abrechnungsgrundlage bilden, transparent (beispielsweise Abrechnung anhand von Stückzahlen (zum Beispiel Anzahl kopierter Seiten) und Attributen (zum Beispiel Farbkopien oder Schwarz-Weiß-Kopien). Bei komplexen Anlagen, Prozessen und Dienstleistungen innerhalb der Produktionstechnik liegen diese technisch-wirtschaftlichen Zusammenhänge zur Ableitung eines für alle Beteiligten funktionierenden Geschäftsmodells oftmals nicht vor. Die notwendige Transparenz für Maschine, Prozess und Wirtschaftlichkeit ist somit häufig nicht gegeben. Eine systematische Vorgehensweise zur Potenzialanalyse, Einführung und Entwicklung von Pay-per-Use-Geschäftsmodellen bei komplexen Produkten, Prozessen und Dienstleistungen ist notwendig, um die Unsicherheit bei den Geschäftsbeteiligten zu reduzieren und die Nutzeneffekte zu verdeutlichen. Sie liegt jedoch derzeit noch nicht umfänglich vor.

Innerhalb des Projektes wird daher eine Systematik erarbeitet, mit der ein Produktspektrum hinsichtlich der Umsetzbarkeit eines Pay-per-Use-Geschäftsmodells bewertet werden kann. Die resultierende Methode, Bild 2, berücksichtigt dabei durch eine Initialanalyse die Pay-per-Use-Readiness von Unternehmen und Angebote auf unterschiedlichen Betrachtungshorizonten.

Als zentrales Element wird dabei das Produkt analysiert, welches perspektivisch in einem nutzungsabhängigen Geschäfts­modell etabliert werden soll. Als Produkt werden hierbei insbesondere komplexe Maschinen und Anlagen, deren Kapazität, Anlagenkomponenten, und Services betrachtet. Anhand einer technischen Analyse des aktuellen Geschäftsmodells, innerhalb dessen die bestehenden Produkte vertrieben werden, lassen sich bereits vorhandene technisch-wirtschaftliche Wirkbeziehungen identifizieren und in einer Klassifikationsstruktur verorten. Im Vorgehen wird sich dabei an bereits vorhandenen Klassifikationsstrategien und -metriken, wie dem VDMA-Leitfaden (vgl. [8]), angelehnt.

Für die Etablierung eines Pay-per-Use-Geschäftsmodells ist überdies die Kenntnis der technisch-technologischen Wirkbeziehungen zur Bildung der Abrechnungsgrundlage von entscheidender Bedeutung. Sowohl bei service- als auch bei maschinenintensiven Produkten ist die Kenntnis der Maschinenbenutzung und des resultierenden Verschleißzustandes während des Betriebs grundlegend zur Ermittlung von Abrechnungsdaten. Obgleich Anlagenlieferanten und Serviceanbieter ein breites technisches Tiefenwissen zu ihren Produkten vorweisen können, sind Fragestellungen nach Verschleißzusammenhängen, deren Einfluss­größen und deren Auswirkung auf den Produktiveinsatz der Produkte oftmals ungelöst, wie eine Tiefenanalyse unterschiedlicher Use Cases innerhalb des Projektes zeigt. Um dennoch Empfehlungen für geeignete, produktspezifische Abrechnungs- und Überwachungsparameter innerhalb einer Planungsmethode für Pay-per-Use-Geschäftsmodelle abzuleiten, wird eine Systematik anhand einer screeningbasierten Sensitivitätsanalyse genutzt, mit welcher potenziell wichtige Maschinen- und Anlagenkomponenten für unterschiedliche Maschinen- und Betriebsarten identifiziert werden können. Somit gelingen eine Priorisierung und eine Identifikation der wesentlichen technischen Parameter zur Einschätzung der Maschinen(ab)nutzung während des Produktiveinsatzes mittels generischem Ansatz.

Resultierend soll es mit diesen Methoden möglich werden, eine Ersteinschätzung zur Eignung und zu potenziell wichtigen technisch-technologischen Bereichen vordefinierter Produkte für Pay-per-Use-Geschäftsmodelle abzugeben. Somit werden interessierte Unternehmen in die Lage versetzt, effizient und online innerhalb einer virtuellen Testumgebung, welche im Rahmen dieses Projektes entsteht, mögliche Geschäftsansätze und Realisierungsschritte zu planen.

3 Geschäftssicherheit mittels digitalem Notar

Das Know-how über Produktionsprozesse, -abläufe und die Parametrierung entsprechender Maschinen ist für viele Maschinenanwender ein schützenswertes Gut, um die eigene Position im Wettbewerb zu erhalten und auszubauen. Für die Realisierung von nutzungsdauerbasierten Geschäftsmodellen ist jedoch die detaillierte Kenntnis über die Nutzung der Produkte, welche sich oftmals aus Betriebszuständen und entsprechenden Parametern zusammensetzt, abrechnungsrelevant und somit nicht nur für den Maschinenanwender, sondern auch für den Leasinggeber von Bedeutung.

Für die Realisierung nutzungsdauerbasierter Geschäftsmodelle ist es daher notwendig, die abrechnungsrelevanten Informationen bezüglich des Maschinenbetriebs und der resultierenden Maschinenbenutzung soweit zu verdichten, dass die Abrechnung selbst nachvollziehbar und valide durchgeführt werden kann, ohne Geschäftsgeheimnisse von Maschinenanwender zu Leasinggeber zu übertragen.

Um dies zu erreichen, wird innerhalb des Projektes ZuPro2Flex ein sogenannter digitaler Notar entwickelt, Bild 3.

Die Basis bildet dabei ein anwendungsgerechter, neutraler Maschinennutzungsindex, welcher die tatsächliche Maschinen­belastung für ein definiertes Nutzungsinkrement abbildet.

Der Maschinennutzungsindex setzt sich dabei aus Produktionsdaten wie Zustandskenngrößen, Prozesskenngrößen, Ressourceneinsätzen, Nutzungsdauern sowie Nutzungspauschalen mit unterschiedlichen Gewichtungen zusammen. Diese Gewichtungen sind für jedes Pay-per-Use-Produkt separat zu identifizieren. Durch ein mathematisches Zusammenführen der jeweiligen Einflüsse und Verdichtung zu einem (möglichst skalaren) Index, können Geschäftsgeheimnisse gewahrt bleiben.

Da in keinem Fall von einer kompletten Transparenz des Systems auszugehen ist, ist zusätzlich ein neutraler Risikoindex einzuführen, der das technisch-wirtschaftliche Risiko für die Realisierung der Pay-per-Use-Geschäftsmodelle bei der Abrechnung berücksichtigt. Dieser basiert auf technischen Unsicherheiten (etwa Fehlerraten von Messungen oder Messgenauigkeiten) und Marktunsicherheiten (Schwankungen in der Maschinenaus­lastung). Beides geschieht anhand der aktuellen und künftigen Nutzung des Systems.

Diese neutralen Indizes sind dann neben einer zugehörigen Quantität (beispielsweise Stückzahl) die einzigen Informationen, die bei der Nutzung von Pay-per-Use-Geschäftsmodellen zwischen den Geschäftsbeteiligten zur Abrechnung von Leistungen ausgetauscht werden müssen. Dadurch entfällt das Versenden schützenswerter Produktionsdaten, wodurch inhärent ein hohes Maß an Datensicherheit erreicht werden kann.

Ein zweiter Bestandteil des digitalen Notars bilden neben den Indizes technische Methoden zur Verhinderung von Daten­verfremdung oder -manipulation. Hierbei werden insbesondere Verschlüsselungs- und Signaturverfahren angewendet, um die Datensicherheit für Pay-per-Use-Geschäftsmodelle zu erreichen. Dabei ist es abhängig von der jeweiligen Produktart, ob der digitale Notar bei einem Leasingnehmer on-premise oder bei einem neutralen Akteur verortet ist.

4 Flexibilität und Transparenz am Beispiel von Pilotanwendungen

Um die genannten Potenziale der Pay-per-Use-Geschäfts­modelle auf Anwenderseite auszuschöpfen, sind neben den notwendigen Realisierungsmaßnahmen auch Funktionserweiterungen der Produkte ein notwendiger Baustein. Dem Konzept des ZuPro2Flex-Projektes folgend, werden daher Assistenzsystemen für die Produktionstechnik eine große Bedeutung zugewiesen.

Für die agile Nutzung sich ändernder Maschinen und Services als Pay-per-Use-Produkte ist die wissensbasierte Unterstützung des ausführenden Personals aufgrund der hohen Komplexität der Maschinen und Prozesse unabdingbar (vgl. [9]). Mithilfe eines Assistenzsystems zur Realisierung der für Pay-per-Use-Geschäftsmodelle notwendigen Serviceleistungen und zur Unterstützung von technischen Maßnahmen für Produktionsänderungen (anderes Produkt, Stückzahl, Parameter, …) können Anlaufzeiten neuer Prozesse, Inbetriebnahmezeiten und Zeiten für Fehler-Ursachen-Analysen deutlich reduziert werden (vgl. beispielsweise [10]). Somit ist es möglich, zielgerichtet Informationen und Analysemöglichkeiten kontextbezogen bereitzustellen. Dabei leistet eine geeignete Visualisierungstechnik gepaart mit Möglichkeiten der kontinuierlichen Erweiterung durch Expertenwissen einen wesentlichen Beitrag für eine industriell anwendbare und praktikable technische Lösung, um den Zugriff auf komponentenbezogene Detailinformationen bedarfsgerecht bereitzustellen.

Anhand von drei Pilotanwendungen werden die Effekte und Möglichkeiten von Pay-per-Use-Geschäftsmodellen sowie deren Planung und Umsetzung analysiert. Um realitätsnahe Randbedingungen zu gewährleisten wird in jeder Pilotanwendung eine Kunden-Lieferanten-Beziehung abgebildet. Hierbei werden neben der Kunden-Lieferanten-Beziehung zwischen Maschinenbauer und Endanwender (am Beispiel von Erwärmungsanlagen für eine Hot-Forming-Linie) auch Geschäftsbeziehungen zwischen Systemlieferant und Maschinenhersteller (am Beispiel von Hydrauliksystemen) sowie zwischen Maschinenhersteller und Servicedienstleister (am Beispiel von Drahtziehanlagen und Hydraulik-Services) analysiert, Bild 4.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Innerhalb des Projektes ZuPro2Flex findet eine umfangreiche Analyse zu dem Einsatz von Pay-per-Use-Geschäftsmodellen in der Produktionstechnik statt. Dabei werden zentrale Fragestellungen zu Geschäftssicherheit, technischen Herausforderungen und Möglichkeiten von dann neuen Geschäftsbeziehungen nicht nur theoretisch diskutiert, sondern an komplexen Pilotanwendungen und Einzelszenarien umgesetzt. Im Zentrum der Betrachtung steht dabei eine Methode zur Planung und Einführung von Pay-per-Use-Geschäftsmodellen, welche im Laufe der Unter­suchungen in eine virtuelle Testumgebung mündet, in der es dann möglich ist, Pay-per-Use-Geschäftsmodellideen hinsichtlich der Umsetzbarkeit (technische Machbarkeit, Risikoanalyse) und Vorteilhaftigkeit (Kosten-Nutzen-Abschätzung, Möglichkeiten des digitalen Notars) zu konkretisieren und für definierte Produkte weiterzuentwickeln. In einem weiteren Schritt können die entstehenden Methodenbausteine für komplexe Beratungs­leistungen und für eine breite Bewertung der Realisierungsoptionen von Pay-per-Use-Geschäftsmodellen herangezogen werden.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt ZuPro2Flex wird in Kooperation zwischen den Partnern HyPneu GmbH, HyPneu Service GmbH, X-Integrate Software und Consulting GmbH, Benteler Automobiltechnik GmbH, attenio GmbH, Visual World GmbH, EMA-TEC GmbH, Kieselstein International GmbH, Fachhochschule Südwestfalen (LFM) und dem Fraunhofer-­Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) durchgeführt. Weitere Informationen finden sich unter www.produktion2x.de.

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Zukunft der Wertschöpfung – Forschung zu Produktion, Dienstleistung und Arbeit“ (Förderkennzeichen 02K18D090 bis 02K18D099) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für die Inhalte dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Robin Kurth / Chris Drechsler / Steffen Ihlenfeldt / Rainer Labs / Michael Marré / Marek Havlicek

Literatur

1. Kurth, R. et al.: Forming 4.0: Smart machine components applied as a hybrid plain bearing and a tool clamping system, Procedia Manufacturing 27, 2019, 65–71
2. Drossel, W.-G. et al.: Cyber-Physische Systeme. In: Neugebauer, R.: Digitalisierung. Berlin Heidelberg: Springer, 2018, 197–222
3. Weking, J. et al.: Leveraging industry 4.0 – A business model pattern framework. International Journal of Production Economics 225, 2020
4. Gassmann, O.; Frankenberger, K.; Csik, M.: Geschäftsmodelle entwickeln: 55 innovative Konzepte mit dem St. Galler Business Model Navigator. München: Hanser, 2013
5. Neugebauer, R.: Verfügbarkeit von Produktionssystemen: Tagungsband, 2009
6. Brecher, C.: Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer. Heidelberg: Springer, 2011
7. Emmrich, V. et al.: Geschäftsmodell-Innovationen durch Industrie 4.0, 2015
8. VDMA: Leitfaden Industrie 4.0. Onlinedokument. Internet: https://industrie40.vdma.org/documents/ 4214230/5356229/VDMA_Leitfaden_I40_neu.pdf/762e5ad4–978a-4e4a-bece-47fac3df4a86. Zugriff am 29.05.2019
9. Tietze, F.; Titov, F.; Halata, P. S.: Produktion perfekt informieren – Digitalisierung des Informationsflusses auf dem Shopfloor, Industrie 4.0 Management 34, 2018
10. Fleischer, J.; Klee, B.; Spohrer, A.; Merz, S.: Leitfaden Sensorik für Industrie 4.0, 2018