Cornerstones towards a successful implementation of AM technology : A qualitative phenomena-based study of the early-stage AM implementation process

Abstract

Additive manufacturing (AM) can be described as potentially a disruptive technology that is studied mostly from the technological point of view eclipsing the people and managerial aspects. The lack of papers describing frameworks and ways to implement AM technology foreshadows the identified complexity of the process, however, makes it an intriguing and rewarding but also challenging research subject. The aim of this thesis is to contribute to the void of papers studying AM implementation from the organizational viewpoint and to create an implementation framework picturing the cornerstones of a successful AM implementation to shed light on this complex process, especially for practitioners entering the field of AM. AM or more popularly 3D is a general term for technologies adding material together layer-upon- layer (SFS-EN ISO/ASTM 52900/2021). As a technology AM is not new, but it has continuously developed since the late 1980s and can be defined today as one of the Industry 4.0 technologies enabling e.g., high-added value through on-site and on-demand manufacturing of customized parts. AM can offer multiple benefits for an organization, but the implementation of AM includes also multiple challenges and questions to tackle before successful implementation, e.g., high investment costs and lack of competent workforce. Lack of AM knowledge together with the scarcity of AM implementation frameworks may result in false conclusions about the technology, its benefits, and challenges. The thesis is performed as a qualitative phenomenon-based study in which the data is gathered through seven semistructured interviews of Finnish AM experts and analyzed through a thematic approach. As a result, the AM implementation is divided into the early- and later-stage implementation which the first is covered in this thesis. Consequently, the early-stage implementation is divided into three sub-phases: opportunity recognition, knowledge acquisition, and learn-by-doing. An AM champion, managerial support, and collaboration can be seen as building blocks of the early-stage implementation process of AM. Together, the three identified sub-phases and building blocks generate an accumulation of knowledge. The created framework aims to emphasize the essentiality of knowledge, especially during the early-stage implementation, and picture a complex process in which all parts are in continuous iteration between each other. The data is gathered as a part of the Center for Collaborative Research ́s (CCR) output at the University of Turku regarding the DREAMS (Database for Radically Enhancing Additive Manufacturing and Standardization) project funded by the members of the DREAMS consortium and Business Finland.

Lisääntyvää valmistusta (additive manufacturing, AM) voidaan kuvailla potentiaalisesti disruptiivikseksi teknologiaksi, jota on tutkittu pääasiassa teknisestä näkökulmasta sivuuttaen ihmis- ja johtamisnäkökulmat. AM-teknologian käyttöönoton viitekehysten vähäisyys enteilee tutkielmassa tunnistettua kompleksisuuden haastetta tehden aiheesta mielenkiintoisen ja palkitsevan, mutta myös haastavan tutkimuskohteen. Tämän lopputyön tavoitteena on avata monimutkaista prosessia alalle tuleville luoden käyttöönoton viitekehyksen, joka kuvaa tarvittavia kulmakiviä onnistuneeseen AM-teknologian käyttöönottoon. Tutkielma pyrkii vastaamaan tunnistettuun tutkimusaukkoon tarkastelemalla AM-teknologian käyttöönottoa organisaatiotasolla. AM tai yleisesti ottaen 3D on yleiskäsite teknologioille, jotka lisäävät materiaalia yhteen kerros kerrokselta (SFS-EN ISO/ASTM 52900/2021). Teknologiana AM ei ole uusi, mutta se on kehittynyt 1980-luvun lopulta lähtien ja voidaan määritellä nykyään yhdeksi Teollisuus 4.0 teknologiosta mahdollistaen, esimerkiksi korkean lisäarvon kustomoitujen osien valmistuksen paikallisesti ja tarpeen mukaan. AM-teknologia voi tarjota organisaatiolle monia etuja, mutta sen käyttöönotto sisältää myös useita haasteita ja kysymyksiä, jotka on ratkaistava ennen onnistunutta käyttöönottoa. Tällaisia ovat esimerkiksi korkeat investointikustannukset ja puute osaavasta työvoimasta. Puutteellinen tietämys AM-teknologiasta yhdessä käyttöönoton viitekehysten vähäisuuden kanssa voi johtaa virheellisiin johtopäätöksiin teknologiasta sekä sen hyödyistä ja haasteista. Tutkielma on suoritettu laadullisena ilmiöpohjaisena tutkimuksena, jossa aineisto on kerätty puolistrukturoiduilla haastatteluilla seitsemältä suomalaiselta AM-teknologian asiantuntijalta. Aineisto on analysoitu käyttäen temaattista analyysimenetelmää, jonka tuloksena AM- teknologian käyttöönotto on jaettu varhaiseen ja myöhempään vaiheeseen, joista ensimmäiseen keskitytään tässä tutkielmassa. V arhaisen käyttöönoton vaihe voidaan jakaa kolmeen osavaiheeseen: mahdollisuuksien tunnistaminen, tiedon hankinta ja tekemällä oppiminen. AM- champion, johdon tuki ja yhteistyö voidaan nähdä AM-teknologian varhaisen vaiheen käyttöönoton rakennuspalikoina. Yhdessä nämä kolme tunnistettua osavaihetta sekä rakennuspalikat saavat aikaan tiedon kumuloitumisen. Tässä tutkielmassa luotu viitekehys pyrkii korostamaan tiedon tärkeyttä erityisesti varhaisen vaiheen käyttöönoton aikana ja kuvaamaan monimutkaista prosessia, jossa kaikki osat ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Aineisto on kerätty osana Turun yliopiston Center for Collaborative Research (CCR) - tutkimusyksikön tuotosta liittyen DREAMS-projektiin (Database for Radically Enhancing Additive Manufacturing and Standardization), jonka rahoittajina toimivat DREAMS-konsortion jäsenet ja Business Finland.