Cloud Manufacturing: applicability and value of Manufacturing-as-a-Service (MaaS) in the Industry 4.0 era

Nowadays “flexibility” is a keyword for competitiveness, and it is widely accepted as one of the four operational pillars of a firm amongst quality, dependability and costs. In many sectors the emphasis passed from cost-reduction to the increase of flexibility because of the growing uncertain nature of the market. In order to increase their flexibility, manufacturers and researchers have investigated two directions: internal flexibility and externally flexibility. The first direction reckons on internal resources (e.g. equipment, labor, …) while the second one leverages on external resources (e.g. suppliers, logistic partners, etc.). In the “internal” track we find the achievements of the flexible manufacturing systems (FMSs) in the 1980s, and then reconfigurable manufacturing systems (RMSs) in the 1990s. Externally, from 1990 onwards the debate on different sources of flexibility gets beyond the limited barrier of the enterprise: agile, multi-agent based, holonic and grid manufacturing paradigms all arose with this aim. All these paradigms – which we can label as “traditional” – leverage on the cooperation among enterprises where a network of resources is somehow shared, nevertheless resource sharing and the interconnection among different entities represents a bottleneck which can be eliminated through proper design of the manufacturing processes and related IT systems. During the last ten years a new interesting paradigm has risen, which is called Cloud Manufacturing (CM). It derives from the concept of Cloud Computing and promises to give birth Manufacturing-as-a-Service (MaaS). It has been recently defined by most influent authors as “a model for enabling aggregation of distributed manufacturing resources (e.g. manufacturing software tools, equipment, capabilities) and ubiquitous, convenient, on-demand network access to a shared pool of configurable manufacturing services that can be rapidly provisioned and released with minimal management effort, or service operator and provider interaction”. However, after about ten years of debate on CM, academics still do not fully agree on the operational model, architecture, technologies involved and on the essential characteristics of CM because of the scarcity of empirical examples. This Thesis aims to study CM under a business perspective, to discover where CM could be applied today (and in the upcoming years), which deployment models seems to be possible and to identify who could bring a significant contribution for its development. The thesis will be arranged as a collection of papers and this manuscript represents their cover. In the first article, the concept of Manufacturing as-a-Service (MaaS) is reviewed and several existing platforms (which can be defined as “CM Early adopters”) are studied. Through the observation of these platforms, the paper finds evidence of CM characteristics on these platforms and recognize the differences among them. It allows the author to propose a framework to assess the different levels of development of a Cloud Manufacturing Platform. The results show today services offered through CM platforms are confined to a limited set of capabilities (e.g. Additive Manufacturing services, CNC machining, Tubes and Sheet metal processing). In addition, the framework helps to identify different levels of development for each characteristics of a platform, therefore it allows to clusterize and evaluate existing (and future) CM platforms, so as to facilitate future descriptive research, benchmarks and also business indexing and search. In the second article, different deployment models within the sub-sector of metal sheets and pipes processing are studied. I have selected three different CM platforms in Europe which follow three different paths. For each of them we analyzed the company, their business model and the operation mode they adopt. The results shows that there are two main approaches to bring MaaS to life within metal sheets and tubes processing industry: “open” and “closed” infrastructure at the provider side, while maintaining a public deployment model at the User side. It seems that the open platform approach aims more at scalability at the expense of high operating costs, while the other one favors the integration of resources and technology development for the total automation of processes (of course, requiring higher investment costs). This interpretative result is useful to project future capabilities of CM player, and to make judgment about their business options to grow and, in general, about this manufacturing paradigm to scale up. In the third stream of the research, I wonder who could be the fundamental actor for the development of a Cloud Manufacturing platform. The research reckons on the study of an up-and-running platform and studies whether the machinery manufacturer, i.e. an Engineer-to-Order (ETO) company which provides the machines to be cloudified, would play a significant role in the implementation of a CM platform. The main result of this study is that ETO companies (like the one analyzed) owns peculiar capabilities and competences which fits with the problems related to the implementation of a CM platform and could be fundamental for the future of CM. This results helps to shift the focus from just the core player running the platform to include in the strategic analysis also the capabilities of the technological partners. Results of the research program illustrated in this Thesis show we are not very far from seeing a growth of fully operational CM platforms, especially in those sectors where both technical and business aspects fit with the requirements of CM. Future research can leverage on these contributions to further investigate the different approaches that emerge in the market, to create a maturity model for CM and to include technology providers as relevant enablers of future CM development, to study the platforms competition which is arising.

Al giorno d’oggi la “flessibilità” è un fattore chiave per la competitività, ed è universalmente accettata come uno dei quattro pilastri operativi di un'impresa tra qualità, affidabilità e costi. In molti settori l'enfasi è passata dalla riduzione dei costi all'aumento della flessibilità a causa della crescente incertezza del mercato. Nella ricerca della flessibilità, università e imprese lavorano parallelamente su due strade diverse: internamente ed esternamente. La prima strada prende in considerazione le risorse interne (es. attrezzature, manodopera, …) mentre la seconda fa leva su risorse esterne (es. fornitori, partner logistici, etc.). Sulla strada della flessibilità interna troviamo i progressi dei cosiddetti “sistemi di produzione flessibili” (FMS) degli anni '80, e successivamente dei sistemi di produzione riconfigurabili (RMS) sviluppatisi negli anni '90. Con il percorso di flessibilità esterna si intende, invece, ciò che succede quando - dal 1990 in poi - il dibattito sulle diverse fonti di flessibilità supera la barriera limitata dell'impresa: i paradigmi della manifattura “Agile”, “Multi-agent based”, “Holonic” e “Grid” sono tutti nati con questo scopo. Tutti questi paradigmi - che possiamo etichettare come "tradizionali" - fanno leva sulla cooperazione tra imprese dove una rete di risorse distribuite è in qualche modo condivisa per un determinato scopo; tuttavia, la condivisione delle risorse e l'interconnessione tra entità diverse rappresenta un collo di bottiglia che può essere eliminato attraverso una corretta progettazione dei processi e relativi sistemi informatici. Negli ultimi dieci anni è sorto un nuovo paradigma di grande interesse, che si chiama Cloud Manufacturing (CM). Esso deriva dal concetto di Cloud Computing e promette di dare vita al Manufacturing-as-a-Service (MaaS). È stato recentemente definito dagli autori più influenti in questo ambito come "un modello per consentire l'aggregazione di risorse di produzione distribuite (ad es. strumenti software di produzione, apparecchiature, capacità produttiva) che garantisca un accesso agevole, on-demand a un insieme condiviso di servizi di produzione configurabili che possono essere rapidamente forniti e rilasciati con il minimo sforzo di gestione o interazione tra operatore del servizio e provider". Tuttavia, dopo circa dieci anni di dibattito sulla CM, gli accademici non hanno ancora pienamente raggiunto un consenso sul modello operativo, sull'architettura che dovrebbe avere un sistema di CM, persino sulle tecnologie coinvolte e sulle caratteristiche essenziali del paradigma; questo è dovuto al fatto che gli esempi empirici a cui ci si può riferire sono pochi, spesso si tratta di iniziative primordiali e non pienamente operative. Questa tesi si propone di studiare il CM da una prospettiva di business, per scoprire dove (quali ambiti e/o settori industriali) il CM potrebbe essere applicato oggi (e nei prossimi anni), quali modelli di implementazione sembrano essere possibili e per identificare chi potrebbe portare un contributo significativo nel suo futuro sviluppo. La tesi è organizzata come una collezione di articoli scientifici e questo manoscritto ne costituisce la copertina. Nel primo articolo viene messo a fuoco il concetto di Manufacturing as-a-Service (MaaS) e vengono analizzate diverse piattaforme esistenti (che potrebbero essere definite "Early Adopters" del paradigma CM). Attraverso questo studio, si trova evidenza delle caratteristiche essenziali del CM in queste piattaforme, e si discutono le differenze che emergono. Questo studio permette di generare un framework per valutare i diversi livelli di sviluppo di una piattaforma di CM. I risultati mostrano che oggi i servizi offerti attraverso le piattaforme CM sono limitati a un insieme limitato di capabilities (es. servizi di produzione additiva, lavorazione CNC, lavorazione di tubi e lamiere). Inoltre, il framework costruito aiuta a identificare diversi livelli di sviluppo per ogni caratteristica di una piattaforma, quindi permette di clusterizzare e valutare piattaforme di CM esistenti (e future), così da facilitare future ricerche descrittive, realizzare benchmark, indicizzare il business etc. Nel secondo articolo vengono studiati diversi modelli di implementazione all'interno dei settori “lavorazione della lamiera” e “lavorazione del tubo”. Sono state selezionate tre diverse piattaforme CM in Europa che evidenziano tre approcci diversi. Per ognuno di loro abbiamo analizzato l'azienda, il loro modello di business e le modalità operative che adottano. I risultati mostrano che esistono due approcci principali per dare vita a MaaS nel settore della lavorazione di lamiere e tubi: infrastruttura "aperta" e "chiusa" sul lato “Provider”, pur mantenendo un modello di distribuzione pubblico sul lato “User”. Sembra che l'approccio della piattaforma aperta miri più alla scalabilità a scapito di alti costi operativi, mentre l'altro privilegia l'integrazione delle risorse e lo sviluppo tecnologico per la totale automazione dei processi (ovviamente richiedendo maggiori costi di investimento). Questo risultato interpretativo è utile per proiettare le capability future di un player CM e per esprimere un giudizio sulle loro opzioni di business e le opportunità di scalabilità che ha questo paradigma. Nel terzo flusso della ricerca, ci si chiede chi potrebbe essere l'attore fondamentale per lo sviluppo di una piattaforma di Cloud Manufacturing. La ricerca si basa sullo studio di una delle più grandi piattaforme censite attualmente operative e valuta se il produttore di macchinari, ovvero un'azienda Engineer-to-Order (ETO) che fornisce le macchine da porre in cloud, possa svolgere un ruolo significativo nell'implementazione di una piattaforma di CM. I risultati principali di questo studio evidenziano che le aziende ETO (come quella analizzata) possiedono capacità e competenze peculiari che si adattano alle problematiche legate all'implementazione di una piattaforma di CM e potrebbero essere fondamentali per lo sviluppo futuro del paradigma del CM. Questo risultato suggerisce di spostare l'attenzione dal solo attore principale che gestisce la piattaforma alle capacità di potenziali partner tecnologici, in quanto essi potrebbero essere rilevanti su un piano strategico di sviluppo del CM. I risultati della ricerca illustrati in questa Tesi mostrano che non siamo molto lontani dal vedere una crescita di piattaforme di CM pienamente operative, soprattutto in quei settori in cui sia gli aspetti tecnici che quelli di business si adattano alle esigenze del CM. La ricerca futura può fare leva su questi contributi per indagare ulteriormente i diversi approcci che emergono nel mercato e per creare un modello di maturità per le piattaforme di CM. Inoltre, i risultati suggeriscono di includere i fornitori di tecnologia come rilevanti abilitatori del futuro sviluppo del CM e di analizzare il futuro contesto di concorrenza che avrà luogo tra questo nuovo tipo di piattaforme.