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The Impact of Additive Manufacturing on Supply Chains and Business Models: Qualitative Analyses of Supply Chain Design, Governance Structure, and Business Model Change

Friedrich, Anne (2023)
The Impact of Additive Manufacturing on Supply Chains and Business Models: Qualitative Analyses of Supply Chain Design, Governance Structure, and Business Model Change.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022868
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: The Impact of Additive Manufacturing on Supply Chains and Business Models: Qualitative Analyses of Supply Chain Design, Governance Structure, and Business Model Change
Language: English
Referees: Elbert, Prof. Dr. Ralf ; Lange, Prof. Dr. Anne
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 268 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 14 September 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022868

Recent global crises like the COVID-19 pandemic challenge traditional global supply chains (SCs). Their disaggregated, “fine-sliced” character comes with a high risk of disruption, and current supply bottlenecks (e.g., the chip shortage in the automotive industry) demonstrate that there is often no quick fix. Firms are increasingly under pressure to react and (re-)design their SCs to increase their resilience. Additive manufacturing (AM) technologies are acclaimed for their potential to foster the shift from global SCs to shorter, decentralized, and more resilient SCs. The key feature of AM technologies lies in their inherently digital and flexible nature. Their specific characteristics are envisioned to enable location-independent manufacturing close to or even at the point of demand and lead to a commoditization of manufacturing infrastructure for flexible outsourcing to local partners. Moreover, AM technologies are expected to revolutionize the way firms do business and put traditional business models at stake.

This doctoral thesis is motivated by the outlined potential of AM and the resulting impact on firms’ supply chain design (SCD) and business model choices. The extant literature raises high expectations for AM. However, concrete and real-world insights from specific application domains are still scarce. This thesis seeks to fill the gap between high-level literature-based visions and currently emerging realistic business models and SCDs for AM. Thereby, AM is understood as a potential intervention emanating from outside firms and requiring them to react by realigning their business models and SC structures to maintain a fit. This thesis aims to build an in-depth understanding of these mechanisms and, hence, of the inner causal processes involved in the AM SCD and business model choices. This concentration on the rationales and underlying behavioral patterns is formalized with primarily exploratory (how and why) research questions that are addressed with qualitative research methodologies, mainly case study research and grounded theory. These methodological practices are applied in the industrial AM context, entailing an embedding of this thesis in challenging industries where AM applications have already started to create value (i.e., in the aerospace, rail, automotive, and machinery and equipment industries). The selected research approaches are mostly inductive and, hence, strongly driven by the data collected from this context (e.g., in interviews, by reviewing documents, and by analyzing websites). Additionally, this thesis relies on grand theories, namely transaction cost economics, the resource-based view, and configuration theory, to discuss the findings in their light and to interpret and distill nuances of these theories for their application in the industrial AM context.

This thesis is cumulative, consisting of four studies that form its main body. These studies are organized in two parts, part A and part B, since two domains of strategic decisions are targeted jointly, the business model development (part A) and AM SCD choice (part B) for industrial AM. Different perspectives are associated with the two parts. Logistics service providers (LSPs) are in a critical position to develop AM business models. Based on the expected shift to decentralized, shorter SCs, the traditional business models of LSPs are at risk, and their inherent customer orientation puts them under pressure to adjust to their customers’ needs in AM. In part A, study A.1 applies a process-based perspective to build a broad understanding of how LSPs currently respond to AM and consumer-oriented polymer 3D printing with specific AM activities. It proposes six profiles of how LSPs leverage AM, both as users for their in-house operations and as developers of AM-specific services for external customers. A key finding is that the initiated AM activities are oftentimes strongly based on LSPs’ traditional resources. Only a few LSPs are found whose AM activities are detached from their traditional business models to focus on digital platform-based services for AM. In contrast to the process-based perspective and focus on business model dynamics in study A.1, study A.2 takes an output perspective to propose six generic business model configurations for industrial AM. Each configuration emerges from the perspective of LSPs and is reflected by their potential partners/competitors and industrial customers. Study A.2 explores how the six generic configurations fit specific types of LSPs and how they are embedded in a literature-based service SC for industrial AM. In combination, studies A.1 and A.2 provide a comprehensive understanding of how LSPs are currently reacting to AM and an empirically grounded perspective on “finished” AM business models to evaluate and refine literature-based visions.

Part B of this thesis is devoted to the mechanism of (re-)designing SCs for AM, which is investigated from the perspective of focal manufacturing firms based on their dominant position in SCs. Two dimensions are used to characterize AM SCDs, their horizontal scope (geographic dispersion) and vertical scope (governance structure). The combination of both dimensions is ideally suited to capture the literature-based vision of shorter, decentralized AM SCs (horizontal scope) with eased outsourcing to local partners (vertical scope). Study B.1 takes a firm-centric perspective to develop an in-depth understanding for AM make-or-buy decisions of manufacturing firms, the outcomes of which determine the SC governance structure. This study elaborates how the specific (digital and emerging) traits of industrial AM technologies modify arguments of grand theories that explain make-or-buy decisions in the “analog” age. In comparison, study B.2 shifts from a firm-centric to a network perspective to rely on both dimensions for investigating cohesive AM SCD configurations. More specifically, study B.2 explores four polar AM SCD configurations and reveals manufacturing firms’ rationales for selecting them. Thereby, it builds an understanding for why manufacturing firms currently have valid reasons to implement industrial AM in-house or distributed in a secure, firm-owned network. As a result, combining both studies provides an understanding of why manufacturing firms currently select specific governance structures for industrial AM and opt for SCDs that differ from the literature-based vision of decentralized, outsourced AM.

Overall, this thesis positions itself as theory-oriented research that also aims at supporting managers of manufacturing firms and LSPs in making informed decisions when implementing AM in their SCs and developing AM-based business models. The three studies A.1, A.2, and B.2 contribute to initial theory building on how and why specific AM business models and SCDs emerge. With their focus on developing an understanding for the causal processes (how and why) and by assuming a process-based and output perspective, they can draw a line from firms’ current reactions to sound reflections on future-oriented, high-level expectations for AM. As a result, the studies significantly enrich and refine the current body of knowledge in the AM business model literature on LSPs and the operations and supply chain management literature on AM SCDs, focusing on their geographic dispersion and governance structure. This thesis further contributes with its context-specificity to building domain knowledge for industrial AM, which can serve as one “puzzle piece” for theorizing on how AM and other digitally dominated (manufacturing) technologies will shape the era of digital business models and SCs. In particular, study B.1 stands out by its focus on theory elaboration and the objective of developing contextual middle-range theory. It reveals that emerging digital AM is a setting where the argumentation of grand theories provides contradicting guidance on whether to develop AM in-house or outsource the manufacturing process. Such findings for industrial AM raise multiple opportunities for future research, among them are the comparison with other industry contexts with similar characteristics and the operationalization of the propositions developed in this thesis in follow-up quantitative decision-support models.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Jüngste Krisen wie die COVID-19 Pandemie stellen globale Lieferketten bzw. Supply Chains vor Herausforderungen. Der disaggregierte, „feingliedrige“ Charakter solcher traditionellen Supply Chains birgt ein hohes Störungsrisiko. Aktuelle Beispiele wie anhaltende Lieferengpässe (z. B. der Chipmangel in der Automobilindustrie) zeigen, dass häufig keine schnellen Lösungen Abhilfe schaffen können. Dies setzt Unternehmen zunehmend unter Druck, das Design ihrer globalen Lieferketten zu überdenken und Maßnahmen zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit zu ergreifen. Der additiven Fertigung (AF) wird das Potenzial zugesprochen, einen Wandel von globalen zu kürzeren, dezentralisierten und damit widerstandsfähigeren Supply Chains zu ermöglichen. Das Alleinstellungsmerkmal der AF liegt in der inhärent digitalen und flexiblen Natur der Technologien. Ihre spezifischen Eigenschaften stellen eine ortsunabhängige Fertigung nahe oder sogar am Ort des Verbrauchs in Aussicht, bei der die Fertigungsinfrastruktur universell nutzbar wird und daher flexibles Outsourcing an lokale Partner ermöglicht. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Charakteristiken der AF traditionelle Geschäftsmodelle infrage stellen.

Die Motivation für diese Dissertation liegt in den skizzierten Potenzialen der AF und den erwarteten Auswirkungen auf die Gestaltung von Lieferketten und Geschäftsmodellen begründet. Die bestehende Forschung weckt hierzu hohe Erwartungen, jedoch mangelt es bisher an konkreten Erkenntnissen aus spezifischen Anwendungsbereichen. Die vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag zur Schließung der Lücke zwischen literaturbasierten Visionen und derzeit entstehenden realen Geschäftsmodellen und Lieferkettendesigns bzw. Supply Chain Designs für die AF. Dabei wird die AF als ein potenzieller Eingriff („intervention“) aus der Unternehmensumwelt verstanden, welcher eine Anpassung von Geschäftsmodellen und Supply Chain Strukturen erfordert, um eine Passfähigkeit („fit“) aufrechtzuerhalten. Ziel dieser Dissertation ist es, ein tiefes Verständnis für diese Anpassungsmechanismen und damit für die inneren Kausalzusammenhänge zu entwickeln, welche die Wahl des Supply Chain Designs und die Geschäftsmodellentwicklung für die AF beeinflussen. Die Konzentration auf die Beweggründe („rationales“) und die zugrunde liegenden Verhaltensmuster wird in dieser Dissertation primär in explorativen (wie und warum) Forschungsfragen formalisiert. Diese werden mittels qualitativer Forschungsmethoden, insbesondere der Fallstudienmethodik und Grounded Theory, adressiert. Ihre Anwendung fokussiert sich auf den Kontext der industriellen AF und entsprechend auf Industrien, in denen die AF bereits im industriellen Maßstab wertschöpfend zum Einsatz kommt (z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie, Bahnindustrie, Automobilindustrie und im Maschinen- und Anlagenbau). Aufgrund gewählter induktiver Forschungsansätze ist der Erkenntnisgewinnungsprozess stark von den in diesem empirischen Kontext erhobenen Daten geprägt (z. B. aus Interviews, der Sichtung von Dokumenten und der Analyse von Webseiten). Darüber hinaus stützt sich diese Dissertation auf etablierte Theorien, darunter die Transaktionskostentheorie, der ressourcenbasierte Ansatz und die Konfigurationstheorie. Diese dienen dazu, die Ergebnisse zu diskutieren sowie Nuancen der Theorien herauszuarbeiten und für den Anwendungsfall der AF zu interpretieren.

Die vorliegende Dissertation ist kumulativ. Sie besteht aus vier Studien, welche den Hauptteil der Dissertation bilden. In zwei Teile gegliedert, Teil A und Teil B, werden die beiden adressierten strategischen Entscheidungsbereiche, die Geschäftsmodellentwicklung (Teil A) und die Wahl des Supply Chain Designs (Teil B), abgedeckt. Mit den beiden Teilen sind unterschiedliche Perspektiven verbunden. Hinsichtlich der Geschäftsmodellentwicklung für die AF befinden sich Logistikdienstleister (LDL) in einer kritischen Position. Der erwartete Wandel zu dezentralen, kürzeren Supply Chains greift ihr Kerngeschäft an und ihre hohe Kundenorientierung erfordert, dass sie sich an die mit der AF verbundenen Kundenbedürfnisse anpassen. In Teil A unterstellt Studie A.1 eine prozessbasierte Perspektive, um ein umfassendes Verständnis dafür zu entwickeln, wie LDL auf die Breite an Technologien der AF (inklusive des konsumentenorientierten Polymer 3D-Drucks) mit spezifischen Aktivitäten reagieren. Die Studie entwickelt sechs Profile, die zeigen, wie LDL die AF sowohl als Anwender als auch als Entwickler von Services für externe Kunden nutzen. Als ein zentrales Ergebnis von Studie A.1 zeigt sich, dass die initiierten Aktivitäten häufig stark auf den traditionellen Ressourcen von LDL basieren. Nur wenige LDL lösen ihre Aktivitäten von ihren traditionellen Geschäftsmodellen und entwickeln digitale, plattformbasierte Services für die AF. Im Gegensatz zu der prozessbasierten Perspektive und dem Fokus auf Geschäftsmodelldynamiken in Studie A.1, wird in Studie A.2 eine Output-Perspektive eingenommen, um sechs generische Geschäftsmodellkonfigurationen für LDL in der industriellen AF zu entwickeln. Jede Konfiguration ergibt sich aus der Analyse der Perspektive der LDL und wird aus dem Blickwinkel potenzieller Partner/Wettbewerber und industrieller Kunden reflektiert. Die Passgenauigkeit der sechs Konfigurationen wird für bestimmte Typen von LDL untersucht und es erfolgt deren Einbettung in eine literaturbasierte Service Supply Chain für die AF. In Kombination entwickeln die Studien A.1 und A.2 ein umfassendes Verständnis dafür, wie LDL derzeit auf die AF reagieren und bieten eine empirisch fundierte Perspektive auf „fertige“ Geschäftsmodelle in der industriellen AF, um literaturbasierte Visionen zu reflektieren und zu verfeinern.

Teil B dieser Dissertation ist dem Mechanismus der (Um-)Gestaltung von Supply Chains für die AF gewidmet, der aus der Perspektive von fokalen produzierenden Unternehmen aufgrund ihrer dominanten Position in Supply Chains untersucht wird. Zur Charakterisierung von Supply Chain Designs für die AF werden zwei Dimensionen herangezogen: ihr horizontaler Umfang (geographische Verteilung) und ihr vertikaler Umfang (Governance-Struktur). Die Kombination beider Dimensionen ist geeignet, um die in der Literatur beschriebene Vision kürzerer, dezentraler Supply Chain Designs (horizontaler Umfang) mit erleichtertem Outsourcing an lokale Partner (vertikaler Umfang) zu erfassen. Studie B.1 nimmt eine unternehmenszentrierte Perspektive ein, um ein tiefgreifendes Verständnis für Make-or-Buy-Entscheidungen für die AF von produzierenden Unternehmen zu entwickeln, deren Ergebnisse die Governance-Struktur von Supply Chains maßgeblich bestimmen. Die Studie verdeutlicht, wie die spezifischen (digitalen („digital“) und aufkommenden („emerging“)) Merkmale der AF die Argumente etablierter Theorien, welche Make-or-Buy-Entscheidungen im „analogen“ Zeitalter erklären können, modifizieren. Im Vergleich dazu geht Studie B.2 von einer unternehmenszentrierten zu einer netzwerkbasierten Perspektive über, die sich auf beide Dimensionen stützt, um kohäsive Konfigurationen für Supply Chain Designs zu erforschen. Genauer gesagt untersucht Studie B.2 vier polare Konfigurationen und identifiziert die Beweggründe produzierender Unternehmen für deren Wahl. Auf diese Weise wird ein Bewusstsein dafür geschaffen, warum produzierende Unternehmen derzeit triftige Gründe dafür haben, die industrielle AF intern oder verteilt in einem sicheren, firmeneigenen Netzwerk zu implementieren. Die Verknüpfung beider Studien liefert ein Verständnis dafür, warum produzierende Unternehmen gegenwärtig bestimmte Governance-Strukturen für die industrielle AF wählen und sich für Supply Chain Designs entscheiden, die von der in der Literatur beschriebenen Vision einer dezentralisierten Fertigung und weitreichendem Outsourcing abweichen.

Insgesamt positioniert sich diese Dissertation als theorieorientierte Forschung, die gleichzeitig darauf abzielt, Managern von produzierenden Unternehmen und von LDL beim Treffen von fundierten Entscheidungen bei der Implementierung der AF in ihren Supply Chains und der Entwicklung von AF-basierten Geschäftsmodellen zu unterstützen. Die drei Studien A.1, A.2 und B.2 tragen zur initialen Theoriebildung bei, indem sie erörtern, wie und warum spezifische Geschäftsmodelle und Supply Chain Designs für die AF entstehen. Mit ihrem Fokus auf die Verständnisbildung für kausale Zusammenhänge (wie und warum) und mit ihren prozess- und outputbasierten Perspektiven ermöglichen es die Studien, auf der Basis der Kenntnis derzeitiger Reaktionen begründet, die zukunftsorientierten, hohen Erwartungen an die AF zu reflektieren. Infolgedessen bereichern und verfeinern die Studien den derzeitigen Wissensstand in der AF-Geschäftsmodellliteratur zu LDL und in der Operations- und Supply-Chain-Management-Literatur zu Supply Chain Designs mit einem Fokus auf deren geografische Verteilung und Governance-Struktur. Mit ihrer Einbettung in den industriellen Kontext der AF trägt diese Dissertation außerdem zum Aufbau von kontextspezifischen Erkenntnissen bei. Diese können als ein „Puzzleteil“ ein breiteres theoretisches Verständnis ermöglichen, wie die AF und andere digital geprägte (Produktions-)Technologien das Zeitalter von digitalen Geschäftsmodellen und Supply Chains gestalten werden. Insbesondere Studie B.1 zeichnet sich durch ihren Fokus auf die Auseinandersetzung mit bestehenden Theorien und das Ziel der Entwicklung einer kontextabhängigen Theorie („middle-range theory“) aus. Die Studie zeigt, dass etablierte Theorien im aufkommenden digitalen Umfeld der AF widersprüchliche Hinweise dazu liefern, ob der Produktionsprozess intern aufgebaut oder an Outsourcing-Partner ausgelagert werden sollte. Solche Erkenntnisse für die industrielle AF bieten zahlreiche Möglichkeiten für die zukünftige Forschung, darunter der Vergleich mit anderen Industriekontexten mit ähnlichen Charakteristiken und die Operationalisierung der in dieser Dissertation entwickelten Propositionen in quantitativen Modellen zur Entscheidungsunterstützung.

Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-228685
Classification DDC: 300 Social sciences > 330 Economics
600 Technology, medicine, applied sciences > 650 Management
600 Technology, medicine, applied sciences > 670 Manufacturing
Divisions: 01 Department of Law and Economics > Betriebswirtschaftliche Fachgebiete > Department of Management and Logistics
Date Deposited: 18 Jul 2023 11:48
Last Modified: 23 Aug 2023 12:49
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22868
PPN: 50978884X
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