Performance Measurement of Direct Value - ETH E

DISS. ETH NO. 22943
Performance Measurement of Direct Value Creation
for Flexible and Multi-Variant Production
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Daniela Noëlle Jufer
Dipl. Betr.- u. Prod.-Ing. ETH
born on 25.12.1968
citizen of
Rüschlikon ZH and Melchnau BE
accepted on the recommendation of
Prof. Dr.-Ing. Konrad Wegener, examiner
PD Dr. habil. Andreas Kunz, co-examiner
Dr. sc. techn. Jens Bathelt, co-examiner
2015
VII
Abstract
Companies with flexible and multi-variant production are facing ever increasing product variety. This
is evoked by the internationalization and digitalization of the markets and results in increased
competition and market transparency. The company’s variety costs increase disproportionately with
the product variety, whilst market transparency evokes a downward pressure on the sales prices. In this
context, cost control becomes crucial to ensure long-term competitive success. The costs of the future
product variants are defined in the early phases of product development and factory planning. The
information of the costs of the single product variants is an important prerequisite for successful cost
control.
This work presents a generic solution approach to bottom-up calculate the direct product costs and
production times for every product variant in a fully automated way. It considers the costs of all
materials and production process times directly needed to manufacture each product variant. With this,
the direct product costs represent the theoretical minimum of the company’s direct value creation
costs. Analogously, the direct production times, which are necessary to calculate the costs of the
needed production processes, represent the theoretical minimum lead times of the company’s direct
value creation.
The realized fully automated bottom-up calculation of the direct product costs and production times
for every product variant can be processed at both, the early phases of product development and
factory planning as well as at running operations. The required input values are directly retrieved from
digitally integrated product and factory engineering data. Up to now, the needed digital data from
product and factory engineering are stored in different data management systems, are of different types
and follow different data management concepts. Thus, they are not able to communicate with each
other.
The theoretical foundation to enable the bottom-up calculation of direct product costs and production
times forms a newly developed method. This new method enables the clear assignment of the physical
elements of the product with related material costs and the needed manufacturing times with related
costs in dependence of the produced product variant, modeled in one single generic structure. The new
method was implemented in two variants: in an integrated and a stand-alone approach. In the standalone approach, the bottom-up calculation is automatically processed exploiting the modeled generic
structure of the new method. The integrated approach was realized in the context of the EU FP7
research project “DOROTHY”. In DOROTHY, an integrated data model and data management system for
product development and factory planning was newly developed. In this integrated implementation
approach, the bottom-up calculation is automatically processed exploiting the integrated data
management system. The realized digital integration of product and factory engineering data is in line
with the needs for action of the strategic initiative Industry 4.0.
A newly developed software tool processes the bottom-up calculation of direct product costs and
production times for every product variant in a fully automated way. It was applied, exploited, tested
and validated in industry. The related use cases and achieved results round off this work.
VIII
Zusammenfassung
Unternehmen mit flexibler und variantenreicher Produktion sind konfrontiert mit einer ständig
steigenden Produktevielfalt. Diese basiert auf der Internationalisierung und Digitalisierung des Markts.
Daraus entsteht ein erhöhter Wettbewerb bei gleichzeitig gesteigerter Markttransparenz. Die Kosten
für die Unternehmen steigen dabei überproportional mit der Produktevielfalt, wobei die
Verkaufspreise durch die Markttransparenz stark unter Druck sind. In diesem Spannungsfeld
entscheidet die Beherrschung der Kosten über das nachhaltige wirtschaftliche Bestehen der
Unternehmen. In den frühen Phasen der Produktentwicklung und Fabrikplanung werden die Kosten
des künftigen Produktportfolios definiert. Die Kenntnis über die Kosten der einzelnen
Produktvarianten, insbesondere auch in diesen frühen Phasen, ist eine entscheidende Voraussetzung
zur Kostenbeherrschung.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lösungsansatz entwickelt, welcher eine vollautomatische Bottomup-Berechnung der direkten Produktkosten und Produktionszeiten für jede gewünschte
Produktvariante ermöglicht. Diese basiert auf einem schlanken, generischen Ansatz und berücksichtigt
die Kosten aller Materialien und Prozesse, die direkt für die Herstellung der jeweiligen
Produktvariante benötigt werden. Damit stellen die direkten Produktkosten zugleich das theoretische
Minimum der Kosten der direkten Wertschöpfung des Unternehmens dar. Analog dazu verkörpern die
in der Berechnung der direkten Produktkosten enthaltenen direkten Produktionszeiten das theoretische
Minimum der Durchlaufzeit der direkten Wertschöpfung.
Die vollautomatische Bottom-up-Berechnung der direkten Produktkosten und Produktionszeiten für
jede gewünschte Produktvariante kann sowohl in den frühen Phasen der Produktentwicklung und
Fabrikplanung als auch im laufenden Betrieb ausgeführt werden. Die dafür benötigten
Eingangsgrössen werden dabei direkt und bottom-up von digital integrierten Produktentwicklungsund Fabrikplanungsdaten eingelesen. Bisher sind die für die Berechnung relevanten digitalen Daten
der Produktentwicklung und der Fabrikplanung in verschiedenen Datenmanagementsystemen
gespeichert. Sie können nicht miteinander kommunizieren, da sie zudem aus verschiedenen
Datentypen bestehen und unterschiedlichen Datenmanagementkonzepten folgen.
Die theoretische Grundlage zur vollautomatischen Bottom-up-Berechnung der direkten Produktkosten
und Produktionszeiten für jede gewünschte Produktvariante bildet eine neu entwickelte Methode.
Diese ermöglicht die eindeutige Zuweisung der Produktkomponenten und der zugehörigen
Materialkosten mit den Herstellzeiten und den zugehörigen Prozesskosten, in Abhängigkeit der
gewählten Produktvariante, in einer konsolidierten generischen Struktur. Die neue entwickelte
Methode wurde in zwei Umsetzungsvarianten realisiert: in einer integrierten und einer stand-alone
Umsetzung. In der stand-alone Umsetzungsvariante erfolgt die vollautomatische Bottom-upBerechung direkt über die modellierte generische Struktur der neu entwickelten Methode. Die
integrierte Umsetzungsvariante wurde im Kontext des EU FP7 Forschungsprojekts „DOROTHY“
verwirklicht. Hier nutzt die vollautomatische Bottom-up-Berechung das neu entwickelte durchgängige
Datenmodell und das zugehörige neu entwickelte Datenmangementsystem, welches die
Produktentwicklungs- und Fabrikplanungsdaten integriert. Die in DOROTHY realisierte Integration der
Produktentwicklungs- und Fabrikplanungsdaten steht im Einklang mit den Handlungsempfehlungen
der strategischen Initiative Industrie 4.0.
Zur vollautomatischen Bottom-up-Berechnung der direkten Produktkosten und Produktionszeiten
wurde im Kontext dieser Arbeit eine Software von Grund auf neu entwickelt. Sie wurde in der
Industrie eingesetzt, genutzt, getestet und validiert. Die zugehörigen Anwendungsfälle und die
erreichten Resultate, runden diese Arbeit ab.

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