Evaluating sectoral innovation system functional performance in the additive manufacturing sector: cemented tungsten carbides case studies
Date
2023-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: It is well known that innovation and manufacturing have traditionally played a vital role in the economic growth of developing countries. A ceramic widely used in manufacturing is cemented tungsten carbide, also known as hardmetal. Hardmetals are known for their significant ability to withstand extreme conditions and are used to manufacture abrasives, bearings and cutting tools as it is more heat-resistant than diamonds. Although traditional hardmetal manufacturing techniques are successful globally, several additive manufacturing (AM) technologies are being investigated as complementary manufacturing processes due to the design benefits the technologies offer. For society and the South African hardmetal industry to benefit from AM technology, the research studies on these technologies must be translated into valuable and innovative products, processes and services that are diffused and integrated into industry and the economy. Although the South African government has developed several national strategies relevant to the South African hardmetal industry, the effectiveness of the governmental support of the industry has not yet been explored through the innovation system framework. This study proposes an analysis framework to study the evolution of innovation systems. The framework, based on the literature on the innovation system framework, the method of event history analysis and the realist evaluation perspective’s logic structure, are developed through the design science research (DSR) methodology. Its objective is to guide the obtainment and documentation of the influential events in a system’s development and to structure the analysis of the event data according to context, intervention, mechanism, and outcome logic. The framework may therefore aid innovation scholars and system analysts to successfully analyse and compare the evolution of innovation systems and gain practical insights into possible support mechanisms. Moreover, the framework is shown to address and successfully overcome shortcomings of existing frameworks in the literature. As part of the DSR methodology, this study presents four instantiations of the framework to four novel case studies. These instantiations demonstrate the frameworks’ comprehensiveness in gaining case-specific insights. The framework’s ability to generalise across case levels is also validated as the insights from four cases could be compared. Additionally, this study presents the derivation of a survey instrument from the framework’s functional elements. Finally, this study presents the analysed survey response data from 70% of the South African AM enterprises, along with policy support suggestions, derived from the case insights, to support the enterprises’ development. Conclusions derive from the case studies and survey include that the South African AM enterprises are still relatively young and typically employ less than 50 people. Value-added enterprises also dominate the industry, although several international service bureaus exist. Furthermore, the enterprises struggle to identify laws and regulations that support AM technology, and startup enterprises struggle to build sufficient knowledge networks. Finally, this study suggests six important process mechanisms for translating manufacturing inventions into valuable and innovative products and processes that are diffused and integrated into industry.
AFRIKAANS OPSOMMING: Dit is welbekend dat innovasie en vervaardiging tradisioneel ’n belangrike rol speel in die ekonomiese groei van ontwikkelende lande. ’n Keramiek wat dikwels in vervaardigingsprosesse gebruik word, is die harde metaal genaamd gesementeerde wolframkarbied. Harde metale beskik oor die vermoë om uiterste toestande te weerstaan en word gebruik om skuurmiddels, laers en snygereedskap te vervaardig aangesien dit meer hittebestand as diamante is. Alhoewel tradisionele hardemetaalvervaardigingstegnieke wêreldwyd suksesvol aangewend word, word verskeie additiewe vervaardigingstegnologieë (AV) as komplementêre vervaardigingsprosesse ondersoek vanweë die ontwerpsvoordele wat dié tegnologieë bied. Om te verseker dat die samelewing en die Suid-Afrikaanse hardemetaalbedryf voordeel trek uit AV-tegnologie, moet die navorsingstudies oor hierdie tegnologieë lei tot die skep van waardevolle en innoverende produkte, prosesse en dienste wat geïntegreer word in die industrie en die ekonomie. Alhoewel die Suid-Afrikaanse regering verskeie nasionale strategieë ontwikkel het wat relevant is tot die Suid-Afrikaanse hardemetaalbedryf, is die doeltreffendheid van die regeringsondersteuning van die bedryf nog nie deur die innovasiestelselraamwerk ondersoek nie. Hierdie studie stel ’n ontledingsraamwerk voor om die evolusie van innovasiestelsels te bestudeer. Die raamwerk, gebaseer op die literatuur oor die innovasiestelselraamwerk, Historiese Gebeurtenis Analise-metode en die realistiese evalueringsperspektief se logikastruktuur, is deur die wetenskaplike ontwerpsnavorsingsmetodologie (WON-metodologie) ontwikkel. Die doel daarvan is om die verkryging en dokumentering van die invloedryke gebeure in 'n stelsel se ontwikkeling te lei en die ontleding van die gebeurtenisdata volgens konteks, intervensie, meganisme en uitkomslogika te struktureer. Die raamwerk kan dus innovasiewetenskaplikes en stelselontleders help om die evolusie van innovasiestelsels suksesvol te ontleed en te vergelyk, en praktiese insigte te verkry oor moontlike ondersteuningsmeganismes. Verder word daar aangetoon dat hierdie raamwerk tekortkominge van bestaande raamwerke in die literatuur aanspreek en suksesvol oorkom. As deel van die WON-metodologie, bied hierdie studie vier instansiërings van die raamwerk aan vier nuwe gevallestudies. Hierdie instansiërings demonstreer die raamwerk se omvattendheid om geval-spesifieke insigte te verkry. Die raamwerk se vermoë om op grond van gevallestudies te veralgemeen word ook bekragtig aangesien die insigte van vier gevallestudies vergelyk kon word. Daarbenewens bied hierdie studie die afleiding van 'n opname-instrument uit die raamwerk se funksionele elemente aan. Laastens hou hierdie studie die geanaliseerde opname-responsdata van 70% van die Suid-Afrikaanse AV-ondernemings voor, tesame met beleidsondersteuningsvoorstelle, afgelei van die geval-spesifieke insigte, om die ondernemings se ontwikkeling te ondersteun. Gevolgtrekkings wat uit die gevallestudies en opnames spruit, sluit onder andere in dat die Suid-Afrikaanse AV-ondernemings nog relatief jonk is en tipies minder as 50 werknemers het. Waardetoegevoegde ondernemings oorheers ook die bedryf, hoewel verskeie internasionale diensburo’s bestaan. Verder sukkel die ondernemings om wette en regulasies te identifiseer wat AV-tegnologie ondersteun, en jong ondernemings sukkel om voldoende kennisnetwerke te bou. Laastens stel hierdie studie ses belangrike prosesmeganismes voor wat nodig is om te verseker dat vervaardigingsuitvindings aanleiding gee tot waardevolle en innoverende produkte en prosesse wat in die industrie geïntegreer word.
AFRIKAANS OPSOMMING: Dit is welbekend dat innovasie en vervaardiging tradisioneel ’n belangrike rol speel in die ekonomiese groei van ontwikkelende lande. ’n Keramiek wat dikwels in vervaardigingsprosesse gebruik word, is die harde metaal genaamd gesementeerde wolframkarbied. Harde metale beskik oor die vermoë om uiterste toestande te weerstaan en word gebruik om skuurmiddels, laers en snygereedskap te vervaardig aangesien dit meer hittebestand as diamante is. Alhoewel tradisionele hardemetaalvervaardigingstegnieke wêreldwyd suksesvol aangewend word, word verskeie additiewe vervaardigingstegnologieë (AV) as komplementêre vervaardigingsprosesse ondersoek vanweë die ontwerpsvoordele wat dié tegnologieë bied. Om te verseker dat die samelewing en die Suid-Afrikaanse hardemetaalbedryf voordeel trek uit AV-tegnologie, moet die navorsingstudies oor hierdie tegnologieë lei tot die skep van waardevolle en innoverende produkte, prosesse en dienste wat geïntegreer word in die industrie en die ekonomie. Alhoewel die Suid-Afrikaanse regering verskeie nasionale strategieë ontwikkel het wat relevant is tot die Suid-Afrikaanse hardemetaalbedryf, is die doeltreffendheid van die regeringsondersteuning van die bedryf nog nie deur die innovasiestelselraamwerk ondersoek nie. Hierdie studie stel ’n ontledingsraamwerk voor om die evolusie van innovasiestelsels te bestudeer. Die raamwerk, gebaseer op die literatuur oor die innovasiestelselraamwerk, Historiese Gebeurtenis Analise-metode en die realistiese evalueringsperspektief se logikastruktuur, is deur die wetenskaplike ontwerpsnavorsingsmetodologie (WON-metodologie) ontwikkel. Die doel daarvan is om die verkryging en dokumentering van die invloedryke gebeure in 'n stelsel se ontwikkeling te lei en die ontleding van die gebeurtenisdata volgens konteks, intervensie, meganisme en uitkomslogika te struktureer. Die raamwerk kan dus innovasiewetenskaplikes en stelselontleders help om die evolusie van innovasiestelsels suksesvol te ontleed en te vergelyk, en praktiese insigte te verkry oor moontlike ondersteuningsmeganismes. Verder word daar aangetoon dat hierdie raamwerk tekortkominge van bestaande raamwerke in die literatuur aanspreek en suksesvol oorkom. As deel van die WON-metodologie, bied hierdie studie vier instansiërings van die raamwerk aan vier nuwe gevallestudies. Hierdie instansiërings demonstreer die raamwerk se omvattendheid om geval-spesifieke insigte te verkry. Die raamwerk se vermoë om op grond van gevallestudies te veralgemeen word ook bekragtig aangesien die insigte van vier gevallestudies vergelyk kon word. Daarbenewens bied hierdie studie die afleiding van 'n opname-instrument uit die raamwerk se funksionele elemente aan. Laastens hou hierdie studie die geanaliseerde opname-responsdata van 70% van die Suid-Afrikaanse AV-ondernemings voor, tesame met beleidsondersteuningsvoorstelle, afgelei van die geval-spesifieke insigte, om die ondernemings se ontwikkeling te ondersteun. Gevolgtrekkings wat uit die gevallestudies en opnames spruit, sluit onder andere in dat die Suid-Afrikaanse AV-ondernemings nog relatief jonk is en tipies minder as 50 werknemers het. Waardetoegevoegde ondernemings oorheers ook die bedryf, hoewel verskeie internasionale diensburo’s bestaan. Verder sukkel die ondernemings om wette en regulasies te identifiseer wat AV-tegnologie ondersteun, en jong ondernemings sukkel om voldoende kennisnetwerke te bou. Laastens stel hierdie studie ses belangrike prosesmeganismes voor wat nodig is om te verseker dat vervaardigingsuitvindings aanleiding gee tot waardevolle en innoverende produkte en prosesse wat in die industrie geïntegreer word.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2023.