II

INHALTSVERZEICHNIS

1  EINLEITUNG  1

1.1  Problemstellung  1

1.2  Zielsetzung und Aufbau der Arbeit.  2

2  GRUNDLEGENDE BEGRIFFLICHKEITEN ZUM KONZEPT DES LIFE CYCLE  

COSTING   4

2.1  Vorstellung des Lebenszykluskonzepts  4

2.1.1  Darstellung der Lebenszyklusphasen anhand des Produktlebenszyklus  4

2.1.2  Beschreibung des erweiterten Konzepts des Produktlebenszyklus  7

2.1.3  Konkretisierung des Produktlebenszyklus im Maschinen- und Anlagenbau  9

2.2  Betrachtung der Lebenszyklusrechnung und ihrer Perspektiven  11

2.2.1  Definition und Merkmale.  11

2.2.2  Unterschiedliche Perspektiven  13

2.3  Charakterisierung von Life Cycle Costing.  15

2.3.1  Historie und Begriffsdefinition.  16

2.3.2  Ziele des Life Cycle Costing  19

2.3.3  Vor- und Nachteile des Life Cycle Costing im Maschinen- und Anlagenbau.  20

3  BERÜCKSICHTIGUNG DER LEBENSZYKLUSKOSTEN BEI DER  

ANGEBOTSERSTELLUNG   23

3.1  Wesentliche Voraussetzungen für die Anwendung des Life Cycle Costing bei der  

Angebotserstellung.   23

3.1.1  Kosten- und Erlöselemente der einzelnen Phasen  24

3.1.2  Zuverlässigkeit und ihre Messgrößen  27

3.1.3  Weibull-Verteilung  29

3.2  Bestehende Ansätze zur Prognose der Lebenszykluskosten  31

3.2.1  DIN EN 60300-3-3  31

3.2.2  VDI-Richtlinie 2884.  34

3.2.3  VDMA-Einheitsblatt 34160  36

3.2.4  Gegenüberstellung der Ansätze.  38

3.3  Einsatz von Life Cycle Cost-Verträgen  40

3.3.1  Erweiterte Methode zur Prognose der Lebenszykluskosten.  42

3.3.2  Charakteristika und Gestaltungsmöglichkeiten von Life Cycle Cost-Verträgen.  47

3.3.3  Chancen und Risiken  50

III

4  BETRACHTUNG VON LIFE CYCLE COSTING IN DER PRAXIS  53

5  FAZIT UND AUSBLICK.  56

LITERATURVERZEICHNIS   59

IV

TABELLENVERZEICHNIS   

Tabelle 3.1:  Kosten- und Erlöselemente der einzelnen Phasen  26

Tabelle 3.2:  Rahmenbedingung.  37

Tabelle 3.3:  Grunddaten  38

Tabelle 3.4:  Vergleich der Lebenszykluskosten-Berechnungsansätze.  40

Tabelle 3 5:  Chancen und Risiken aus Hersteller- und Betreibersicht  52

V

ABBILDUNGSVERZEICHNIS   

Abbildung  1.1: Darstellung der Lebenszykluskosten und deren Optimierung  

Abbildung  2.1: Marktzyklus eines Produktes.  

Abbildung  2.2: Der integrierte Produktlebenszyklus.  

Abbildung  2.3: Phasen des Anlagenlebenszyklus.  

Abbildung  2.4: Kostenfestlegung und Kostenverursachung.  

Abbildung  2.5: Produktlebenszyklus aus Produzenten- und Kundensicht  

Abbildung  2.6: Trade-offs zwischen Anfangs- und Folgekosten  

Abbildung  2.7: Life Cycle Costing.  

Abbildung  2.8: Abgrenzung von Life Cycle Costing und TCO.  

Abbildung  3.1: Darstellung der Zuverlässigkeitskennwerte.  

Abbildung  3.2: Verlauf der Ausfallrate über den Produktlebenszyklus.  

Abbildung  3.3: Konzept für Kostenelemente  

Abbildung  3.4: Struktur des Prognosemodells für die Lebenszykluskosten  

Abbildung  3.5: Umsätze und Profitabilität im deutschen Maschinenbau.  

Abbildung  3.6: Vorgehensweise zur Bestimmung der Gesamtkostenverteilung  

Abbildung  3 7: Algorithmus und Simulationsergebnis der Monte-Carlo-Simulation  

VI

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie DIN Deutsches Institut für Normung e. V. EBIT Earnings before interest and taxes EBS European Business School EN Europäische Norm FMECA Failure Modes, Effects and Criticality Analysis GAO General Accounting Office IEC International Electrotechnical Commission konst. konstant LCC Life Cycle Costing LICMA Life-Cycle-Performance im Maschinen- und Anlagenbau MTBF Mean Time Between Failures MTTF Mean Time to Failure MTTR Mean Time to Repair o. Jg. ohne Jahrgang o. O. ohne Ort o. V. ohne Verfasser SIIE Strascheg Institute for Innovation and Entrepreneurship TCO Total Cost of Ownership VDI Verein Deutscher Ingenieure VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V.

VII

FORMELVERZEICHNIS

A Verfügbarkeit (englisch Availability) b Ausfallsteilheit, Formparameter c Konstante, Achsenabschnitt e Eulersche Zahl f(t) Dichtefunktion F(t) Verteilungsfunktion, Ausfallwahrscheinlichkeit i Nummer des Ausfalls m Konstante, Steigung n Anzahl der Ausfälle R(t) Überlebenswahrscheinlichkeit, Zuverlässigkeit t Zeit, Beanspruchungszeit, Ausfallzeit T charakteristische Lebensdauer, Lageparameter x y λ konstante Ausfallrate λ(t) momentane Ausfallrate

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Seit vielen Jahren ist die Branche des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus neben anderen Branchen einem wachsenden wirtschaftlichen Druck ausgesetzt, der sich in einem steigenden Wettbewerb widerspiegelt. Zurückzuführen ist dieser auf die Globalisierung und Internationalisierung sowie der damit verbundenen weltweiten Öffnung der Märkte (Schweiger 2009, S. 16). Maschinen- und Anlagenbetreiber fühlen sich durch den wirtschaftlichen Druck gezwungen bei ihren Investitionsentscheidungen immer mehr auf den Anschaffungspreis zu achten. Daraus ziehen besonders Anbieter von günstigen Maschinen und Anlagen einen Nutzen, die oft im Ausland, wie z. B. in China, anzutreffen sind. Bei diesen Investitionsentscheidungen wird jedoch überwiegend der Zeitpunkt der Anschaffung berücksichtigt. Dabei lassen Betreiber zukünftige Kosten der Maschine unbeachtet und betrachten nur die Spitze des Eisberges (vgl. linke Seite der Abbildung 1.1). Allerdings kann dies über den Lebenszyklus der Maschine fatale Folgen haben, da im Laufe der Zeit die unter der Wasseroberfläche verborgenen Folgekosten zum Vorschein kommen. Am Ende des Lebenszyklus kann es daher sein, dass eine zuvor günstigere Maschine über die Zeit viel teurer ist als eine qualitativ hochwertige Maschine, für die hingegen ein höherer Anschaffungspreis zu zahlen ist (Köllner/Wieser/Striefler 2009, S. 100). Zudem können die Folgekosten die Anschaffungskosten übersteigen und somit einen größeren Anteil an den Gesamtkosten einnehmen. Dies unterstreicht die Relevanz einer erweiterten Investitionsentscheidungsbetrachtung über den Anschaffungspreis hinaus.

Um sich als Maschinen- und Anlagenbauer in dieser Situation einen Wettbewerbsvorteil zu sichern, muss die Qualität in den Vordergrund gerückt werden, indem überdurchschnittlich zuverlässige Maschinen und Anlagen entwickelt und angeboten werden (Delonga 2007, S. 1). Durch eine höhere Maschinenzuverlässigkeit und -qualität werden die Folgekosten gesenkt, da beispielsweise durch weniger auftretende Maschinenausfälle die Instandhaltungskosten sinken. Dagegen steigen aber die Beschaffungskosten mit zunehmender Zuverlässigkeit. Dem Kunden sollte demnach eine Maschine dargeboten werden, bei der die gesamten Lebenszykluskosten minimiert werden. Der rechte Teil der Abbildung 1.1 stellt diese Situation in einem einfachen Fall dar, wobei angenommen wird, dass die Betriebskosten unabhängig von der Maschinenzuverlässigkeit sind (Bünting 2009, S. 36). In einem Verkaufsgespräch kann dem Betreiber so verdeutlicht werden, dass trotz eines hohen Anschaffungspreises die Gesamtkosten über den Lebenszyklus geringer sind als im Ver- gleich zu den wesentlich günstigeren Maschinen.

Quelle: nach (Blanchard 1978, S. 6; VDMA 2006, S. 14; Bünting 2009, S. 36)

Diese Denkweise wird mit der Zeit von vielen Maschinen- und Anlagenbetreiber übernommen, so dass sie als Grundlage für ihre Investitionsentscheidungen die gesamten Lebenszykluskosten heranziehen und nicht nur den Anschaffungspreis. Zur ganzheitlichen Bewertung einer Maschine oder Anlage wird das Konzept des Life Cycle Costing genutzt, mit dem die verborgenen Kosten in die Investitionsüberlegungen einfließen. Allerdings ist die Bestimmung der Lebenszykluskosten nicht ganz unproblematisch. Es treten Schwierigkeiten bei der Vorgehensweise, der Datenbeschaffung sowie bei der Prognose zukünftiger Kosten und Maschinenausfälle auf. Als weitaus kritischer wird der Sachverhalt, wenn Betreiber eine vertragliche Absicherung der prognostizierten Lebenszykluskosten vom Hersteller fordern, da sich dadurch ein erhebliches Risiko auf Herstellerseite ergibt. Um die Berechnung der Lebenszykluskosten einfacher zu gestalten und das Risiko der Prognose zu minimieren, müssen geeignete Methoden und Richtlinien geschaffen werden, die sowohl vom Hersteller als auch vom Betreiber angewendet werden können.

1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

Basierend auf der dargestellten Problematik liegt das Ziel dieser Arbeit in der Entwicklung einer Methode zur Kalkulation der gesamten Lebenszykluskosten einer Maschine oder Anlage unter besonderer Beachtung der Prognoseunsicherheit zukünftiger Kosten, die u. a. von Zufallsereignissen abhängen, wie z. B. Maschinenausfällen. Dazu werden bereits bestehende Ansätze aufgegriffen, deren Stärken und Schwächen aufgezeigt und danach eine geeignete Vorgehensweise zur Prognose der Lebenszykluskosten hergeleitet.

Ausgehend von der Zielsetzung befasst sich das Kapitel 2 zunächst mit den wesentlichen Grundlagen des Life Cycle Costing. Dabei werden die verschiedenen Phasen des Lebenszykluskonzepts charakterisiert und deren Besonderheiten im Maschinen- und Anlagenbau beschrieben. Außerdem wird die Lebenszyklusrechnung, die aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet werden kann, erläutert. Anschließend erfolgt eine genaue Definition des Life Cycle Costing und seinen Zielen.

Das Kapitel 3 zeigt, wie das Konzept des Life Cycle Costing in die Angebotserstellung einfließen kann. Zuerst werden die dafür erforderlichen Kenntnisse dargestellt. Dazu zählen die wichtigsten Kosten- und Erlöselemente, die Berechnung von Kennzahlen im Rahmen der Maschinenzuverlässigkeit sowie die Weibull-Verteilung. Da bereits Ansätze und Richtlinien zur Prognose der Lebenszykluskosten bestehen, werden diese bewertet und prüfend gegenübergestellt. Darauf aufbauend erfolgt die Entwicklung einer Methode, die durch Einbindung der Weibull-Verteilung das Risiko berücksichtigt und durch eine Simulation die erwarteten Lebenszykluskosten prognostiziert. Das Ergebnis dieser Methode dient dem Hersteller als Grundlage für die Angebotsgestaltung von so genannten Life Cycle Cost-Verträgen, die Betreiber zunehmend als vertragliche Absicherung der Lebenszykluskosten fordern. Die Ausprägungen der Life Cycle Cost-Verträge sowie deren Chancen und Risiken werden am Ende des Kapitels aufgezeigt.

Um das ganze Thema abzurunden, gibt das Kapitel 4 einen kurzen Einblick in die Praxis und prüft, inwieweit das Konzept des Life Cycle Costing in den Unternehmen zur Anwendung kommt. Abschließend endet die Arbeit in Kapitel 5 mit einem Fazit und Ausblick.

2 Grundlegende Begrifflichkeiten zum Konzept des

Life Cycle Costing

Bevor die praktische Anwendung des Life Cycle Costing in Kapitel 3 erfolgt, soll dieses Kapitel dazu dienen, grundlegende Begriffe zu klären. Das Life Cycle Costing basiert auf dem Konzept des Lebenszyklus und entspringt aus der Lebenszyklusrechnung. Daher wird zuerst in Abschnitt 2.1 das Lebenszykluskonzept in seinen möglichen Ausprägungen beschrieben. Darauf aufbauend enthält der Abschnitt 2.2 die Darstellung der Lebenszyklusrechnung, aus der das Life Cycle Costing hervorgeht. Abschließend wird das eigentliche Life Cycle Costing näher betrachtet.

2.1 Vorstellung des Lebenszykluskonzepts

Dieser Abschnitt behandelt das Lebenszykluskonzept und stellt zunächst die einzelnen Phasen des Produktlebenszyklus und deren Merkmale vor. Ausgehend von diesem traditionellen Modell wird die Entwicklung zum erweiterten Konzept des Produktlebenszyklus aufgezeigt. Im Anschluss erfolgt die Übertragung des Modells auf den Maschinen- und Anlagenbau, um bestehende Besonderheiten herauszustellen.

2.1.1 Darstellung der Lebenszyklusphasen anhand des Produktlebenszyklus

Der Lebenszyklus bezeichnet eine logische Abfolge mehrerer Phasen, die in ihrer Gesamtheit ein zeitliches Modell bilden (Zehbold 1996b, S. 2). Dieser zeitliche Rahmen reicht von der Planung und Entwicklung des Objektes über die Erstellung und Nutzung bis hin zur Entsorgung oder Stilllegung (Götze 2000, S. 267). Infolgedessen ist der Lebenszyklus eines Objektes begrenzt und dem „Gesetz des Werdens und Vergehens“ (Meffert 2000, S. 338) ausgesetzt.

Das Lebenszykluskonzept lässt sich auf unterschiedliche Bezugsobjekte anwenden, wie z. B. Technologien, Organisationen, Branchen, Industrien, Fabriken, Fertigungsanlagen, Projekte, Prozesse, Personal, Kunden, Lieferanten, Material, Kapital und Software (Höft 1992, S. 15-129; Zehbold 1996b, S. 61-66). Als einer der bekanntesten Lebenszyklen gilt der Produktlebenszyklus. An ihm wird im weiteren Verlauf beispielhaft das Lebenszykluskonzept mit seinen einzelnen Phasen verdeutlicht.

5

Wenn von einem Produktlebenszyklus die Rede ist, wird darunter meist der Marktzyklus eines Produktes verstanden. Aus Herstellersicht wird jedoch nicht nur ein einzelnes Produkt, sondern die Gesamtheit aller Einheiten einer ausgewählten Produktgruppe betrachtet (Schild 2005, S. 158-159). Mit Hilfe des marktorientierten Produktlebenszyklus werden beispielsweise Marketingstrategien erkannt und entwickelt, um dem Unternehmen zu einem bestmöglichen Ergebnis zu verhelfen. Dazu muss allerdings die Annahme getroffen werden, dass Umsatz und Absatz des Produktes in einer glockenförmigen Kurve verlaufen (Michalas 2003, S. 17). Weitere Strategien können aus den Eigenschaften der jeweiligen Phase der Glockenkurve bzw. des Marktzyklus ermittelt werden. Jede Phase besitzt bestimmte Charakteristika in Bezug auf Käufer-, Verkäuferverhalten und Unternehmensgrößen, wie beispielsweise Umsatz, Gewinn und Cashflow. Grundsätzlich gliedert sich der Marktzyklus eines Produktes in die vier Lebensphasen Einführung, Wachstum, Reife und Sättigung (Baum/Coenenberg/Günther 2007, S. 85). Oft wird eine fünfte Phase hinzugefügt, die den Namen Degeneration trägt (Zehbold 1996b, S. 26).

In der Einführungsphase wird das Produkt in einen Markt integriert. Markant für diese Phase sind geringe, aber leicht wachsende Umsatz- und Absatzzahlen sowie ein negativer Cashflow. Mittels Einführungswerbung werden die ersten Kunden gewonnen. Diese sind bereit den bei Produkteinführung entsprechenden hohen Preis zu zahlen und verhalten sich preisunelastisch. Infolge der hohen Stückkosten sind nur geringe bzw. negative Deckungsbeiträge zu erwarten (Siegwart/Senti 1995, S. 6; Höft 1992, S. 36-39).

Während der Wachstumsphase erreichen die Umsatz- und Absatzkurve ihren Wendepunkt. Demnach liegen hier die maximalen Umsatz- und Absatzzuwächse vor. Dies führt zu positiven Deckungsbeiträgen und einem ausgeglichenen Cashflow. Daneben wird der Breakeven-Point überschritten und folglich die Gewinnzone erreicht, in der der Gewinn am Ende dieser Phase bis auf sein Maximum steigt. Weiterhin werden mehr Kunden auf das Produkt aufmerksam, aber reagieren zunehmend preiselastisch. Daher werden Preisänderungen seitens des Anbieters geringer (Siegwart/Senti 1995, S. 6; Höft 1992, S. 36-39).

An dem Punkt des Gewinnmaximums geht der Marktzyklus in die Reifephase über, in deren Verlauf weitere Maxima erreicht werden, z. B. sind Absatz und Umsatz auf ihrem höchsten Niveau. Dies ruft wiederum die niedrigsten Stückkosten, den höchsten Deckungsbeitrag und Cashflow hervor. Infolge von Marktsättigung und Alternativprodukten sinkt die Umsatzrate im Umsatzmaximum auf Null. Aufgrund dieser Alternativprodukte sind die Kunden preissensibler geworden, d. h. ihre Preiselastizität ist hoch (Siegwart/Senti 1995, S. 6; Höft 1992, S. 36-39).

In der Sättigungsphase gehen Absatz und Umsatz zurück, da viele Kunden aufgrund des technischen Fortschritts andere Produkte bevorzugen. Dies erklärt die höchste Preiselastizität innerhalb des gesamten Marktzyklus. Durch den Verkauf geringer Stückzahlen steigen die Stückkosten, die Deckungsbeiträge verringern sich und der Cashflow schrumpft weiter.

6

Der Gewinn sinkt weiter und befindet sich auf einem niedrigen Niveau; die Umsatzrate ist negativ (Siegwart/Senti 1995, S. 6; Höft 1992, S. 36-39).

Die Tendenzen der Sättigungsphase setzen sich in der Degenerationsphase fort. Demzufolge fällt der Umsatz weiter ab, die Stückkosten erhöhen sich durch den Absatzeinbruch und der Gewinn schwindet, so dass sogar Verluste möglich sind. Insgesamt wird in den letzten beiden Phasen das Produkt Schritt für Schritt von dem Markt verdrängt (Siegwart/ Senti 1995, S. 6; Höft 1992, S. 36-39). 1

Die folgende Abbildung stellt die beschriebenen Phasen und die Verläufe der Umsatz- und Gewinn-/Verlustkurve über die Zeit in einem Marktzyklus grafisch dar.

Quelle: nach (Becker 2006, S. 724)

Das vorgestellte Modell des Produktlebenszyklus, das auch als traditionelles oder klassisches Modell des Produktlebenszyklus bezeichnet wird, diente anfänglich nur als Beschreibungs- und Erklärungsmodell. Doch später wurde es ebenfalls als operationale Planungs- und Entscheidungsunterstützung zur Prognose verwendet (Siegwart/Senti 1995, S. 7). Beispielsweise wurde für neue Produkte der Einführungszeitpunkt und ebenso für alte Produkte der Eliminationszeitpunkt ermittelt und festgelegt (Zehbold 1996b, S. 30). Außerdem wurde das Modell für langfristige Planungen eingesetzt. Anhand der jeweiligen Phasencharakteristika konnten Unternehmens- und Produktstrategien abgeleitet werden (Pfeiffer/ Bischof 1981, S. 135-137).

¹ Zur weiteren Vertiefung der Merkmale einzelner Phasencharakteristika siehe Höft (1992), S. 36-39.

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Allerdings weist dieses Modell einige Kritikpunkte auf. Zu nennen sind beispielhaft die mangelnde empirische Validierung, die angenommenen Kurvenverläufe, das Abgrenzungsproblem der einzelnen Phasen und die ausbleibende theoretische Fundierung. ² Eine weitere Schwachstelle ist, dass nur die Phasen einbezogen werden, in denen das Produkt auf dem Markt verweilt. Folglich bleiben die angrenzenden Phasen der Produktentstehung sowie der Stilllegung und Entsorgung außen vor. Alle Kosten und Erlöse, die nicht im Marktzyklus anfallen, bleiben daher unberücksichtigt. Aber oft sind gerade die Kosten, die in den angrenzenden Phasen entstehen, sehr hoch und werden zukünftig noch weiter steigen. Dementsprechend gewinnen diese Kosten im gesamten Produktlebenszyklus immer mehr an Bedeutung und stellen wichtige Informationen für Entscheidungsprozesse im Unternehmen dar (Günther/Kriegbaum 1999, S. 238; Männel 1994, S. 109; Atkinson 1990, S. 7). Aufgrund dieses zunehmenden Stellenwertes wurde das traditionelle Modell des Produktlebenszyklus erweitert.

2.1.2 Beschreibung des erweiterten Konzepts des Produktlebenszyklus

Während das traditionelle Produktlebenszyklusmodell nur die Absatzentwicklung betrachtet (Zehbold 1996b, S 22), ergänzt das erweiterte Konzept den klassischen Marktzyklus um den Entstehungs- und Nachsorgezyklus (Ederer 2007, S. 16). Zunächst haben PFEIFFER und BISCHOF das integrierte Produktlebenszyklusmodell entwickelt, mit dem der Entstehungszyklus vor den bereits bekannten Marktzyklus gesetzt wurde. ³ Der Entstehungszyklus teilt sich wiederum in Phasen auf, in denen alternative Ideen für Produkte gesucht, bewertet und ausgewählt sowie Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt werden (Pfeiffer/ Metze/Schneider/Amler 1987, S. 26-33; Pfeiffer/Bischof 1981, S. 136-137). Das Konzept von PFEIFFER und BISCHOF bezieht die Produktentwicklung in den Lebenszyklus ein und begleitet das Produkt von seiner Idee bis zum Ausscheiden aus dem Markt. Um aber auch den Nach-sorgebereich, in dem durch einen Betreuungsaufwand Kosten und Erlöse anfallen, zu berücksichtigen, hat BACK-HOCK das Modell von PFEIFFER und BISCHOF erweitert und den Nachsorgezyklus hinter den Marktzyklus eingebracht (Back-Hock 1988, S. 22-23; Back-Hock 1992, S. 706-708). Allerdings ist zu erwähnen, dass die drei Zyklen nicht strikt voneinander getrennt sind, sondern dass es zu zeitlichen Überlappungen kommt. So endet der Entstehungszyklus nicht bei Beginn des Marktzyklus, da sich in diesem Zyklus die Entwicklungsarbeiten fortsetzen. Ebenfalls werden andauernde Tätigkeiten, die mit der Variation, Modifikation oder Differenzierung des Produktes zusammenhängen, im Marktzyklus weiter-

² Zur ausführlichen Darstellung siehe Höft (1992), S. 35-41.

³ Das vollständige integrierte Produktlebenszyklusmodell von PFEIFFER und BISCHOF besteht aus den Phasen Beobachtungszyklus, Entstehungszyklus und Marktzyklus. Allerdings wird der Beobachtungsphase keine große Beachtung geschenkt, wie selbst PFEIFFER und BISCHOF schreiben (vgl. Pfeiffer/Bischof 1981, S. 138). In der Literatur wird diese Phase oft vernachlässigt und ausgelassen (vgl. Schild 2005, S. 159; Hoeck 2005, S 35). Aus diesem Grund wird der Beobachtungszyklus auch in dieser Arbeit ausgeklammert.