Ersatzteilversorgung: Wie sich 3D-Druck am besten in die Lieferketten integrieren lässt

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Mit einem neuen Berechnungsmodell lässt sich genauer ermitteln, wie additive Fertigungssysteme optimal in die Lieferketten für die Ersatzteilversorgung zu integrieren sind.

• Ersatzteile schnell und zuverlässig dorthin zu bringen, wo sie benötigt werden, ist eine logistische Herausforderung für militärische und industrielle Lieferketten.

• Forschende der US-Militärakademie in West Point und der North Carolina State University haben ein Berechnungsmodell entwickelt.

• Damit lässt sich ermitteln, wie additive Fertigungstechnologien (AM) am besten in die Lieferketten für die Ersatzteilversorgung zu integrieren sind.

Die additive Fertigung (AM) oder der 3D-Druck bergen ein enormes Potenzial, um einige der logistischen Herausforderungen beim Bereitstellen von Ersatzteilen zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort zu meistern. Allerdings können AM-Technologien teuer und schwierig zum Einsatzort zu transportieren sein. Außerdem erfordern sie Personal mit spezieller Ausbildung. Darüber hinaus können sich Lieferketten für die Ersatzteilversorgung besonders kompliziert gestalten, da die Nachfrage in der Regel stark schwankt. Das bedeutet, dass Sie wahrscheinlich nicht wissen, wann Sie ein bestimmtes Teil liefern müssen oder wie viele Teile zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt werden.

Was sind angesichts dieser logistischen Herausforderungen und der Einschränkungen der AM-Technologien die effizientesten Möglichkeiten, diese Technologien in eine Lieferkette einzubinden? "Frühere Arbeiten zur Frage, wie sich die additive Fertigung in Lieferketten integrieren lässt, um das Problem der Ersatzteile zu lösen, gingen von vielen Annahmen aus, die nicht unbedingt die Realität einer stark schwankenden Nachfrage widerspiegeln", sagt Brandon McConnell, Mitautor eines Papiers über das neue Modell. McConnell ist Assistenzprofessor am NC State Edward P. Fitts Department of Industrial and Systems Engineering.

Ersatzteilversorgung: Schwankende Nachfrage in früheren Analysen zu wenig berücksichtigt

"Um diese Problematik anzugehen, beschlossen wir, ein Berechnungsmodell zu erstellen, das einige dieser Annahmen vermeidet und das uns dabei helfen könnte, diese Herausforderungen auf sinnvolle Weise zu bewältigen. Was wir jetzt präsentieren, ist ein Proof-of-Concept. Aber ich denke, es bringt uns einen wesentlichen Schritt näher, Unternehmen bei der Entwicklung von Lieferketten zu helfen, die in der Lage sind, Ersatzteile schneller und zuverlässiger dorthin zu bringen, wo sie gebraucht werden."

Bei der Einbindung der additiven Fertigung in eine Lieferkette der Ersatzteilversorgung gilt es festzulegen, wo die Technologie zum Einsatz kommt. An einem Ende des Spektrums würde sich die gesamte AM-Technologie an einem Ort befinden. Durch die Zentralisierung ist die AM-Technologie leicht zu beschaffen und zu betreiben, aber aufgrund der Transportzeiten und der damit verbundenen Kosten entfallen viele der Vorteile von AM. Am anderen Ende des Spektrums wäre die AM-Technologie über das Netz verteilt, so nah wie möglich an den Endverbrauchern. Die Dezentralisierung verkürzt die Transportzeit erheblich, erschwert aber auch die Versorgung der AM-Standorte mit Rohmaterial. Und sie verringert erheblich die Menge des Materials, das sich an einem Standort herstellen lässt.

Additive Fertigung: Zentral oder vor Ort bei den Endverbrauchern?

Um das zu klären, entwickelten die Forschenden ein Modell, das zwei wichtige Aspekte der schwankenden Nachfrage bei der Ersatzteilversorgung berücksichtigt. Dabei ist ein Faktor, wie viel Zeit zwischen den Anfragen nach Ersatzteilen vergehen kann. Der zweite Faktor ist die Variabilität des Volumens und der Anzahl der angeforderten Ersatzteile. Anhand ihres neuen Modells fanden die Forscher heraus, dass ein zentralisiertes System umso effizienter arbeitet, je seltener die Nachfrage auftritt und je größer die Schwankungen in Bezug auf die benötigte Menge eines bestimmten Artikels ausfallen. Je häufiger die Nachfrage und je gleichmäßiger das Volumen, desto eher könnte das System davon profitieren, dass die Ressourcen für die additive Fertigung näher an den Endnutzern angesiedelt sind.

Und unter der Annahme, dass die additive Fertigungskapazität des Systems konstant ist, wird das System umso eher von einer Zentralisierung seiner additiven Fertigungsressourcen profitieren, je größer die benötigte Ersatzteilmenge ist.

"Diese Beobachtungen stellen an sich schon einen Fortschritt in unserem Verständnis darüber dar, wie wir AM in Ersatzteilversorgungsketten einbinden wollen", sagt McConnell. "Diese Ergebnisse dienen uns aber auch als solide Grundlage, auf der wir aufbauen können, wenn wir anfangen, komplexere Modelle zu entwickeln, um schwierigere Herausforderungen zu bewältigen."

Modell berücksichtigt nun auch Kapazitäten und Grenzen einzelner additiver Verfahren

So modifizieren die Forscher nun ihr Modell, um die unterschiedlichen Kapazitäten und Grenzen der einzelnen AM-Technologien zu berücksichtigen. Die Forscher modifizieren die Modelle auch, um wesentlich vielfältigere und damit realistischere Bestände an Ersatzteilen zu berücksichtigen, die in einer bestimmten Lieferkette benötigt werden könnten.

Die Arbeit mit dem Titel "Performance Trade-offs for Spare Parts Supply Chains with Additive Manufacturing Capability Servicing Intermittent Demand" wurde im Journal of Defense Analytics and Logistics veröffentlicht. Erstautor des Papiers ist Major Kyle McDermott von der U.S. Military Academy. Mitverfasser des Artikels sind Ryan Winz, ein ehemaliger Student der NC State, Thom Hodgson, emeritierter Professor am Edward P. Fitts Department of Industrial and Systems Engineering der NC State, Michael Kay, Direktor des Integrated Manufacturing Systems Institute der NC State, und Russell King, Henry L. Foscue Distinguished Professor of Industrial and Systems Engineering an der NC State. Die Forschungsarbeiten wurden mit Unterstützung des U.S. Army Research Office unter dem Zuschuss W911NF1910055 durchgeführt.

"Performance Trade-offs for Spare Parts Supply Chains with Additive Manufacturing Capability Servicing Intermittent Demand"

Die Autoren: Kyle C. McDermott, Militärakademie der Vereinigten Staaten; Ryan D. Winz, Thom J. Hodgson, Michael G. Kay, Russell E. King, und Brandon M. McConnell, North Carolina State University

Veröffentlicht: 14. September, Journal of Defense Analytics and Logistics

DOI: 10.1108/JDAL-08-2020-0016

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