Capacity Management and Contract Engineering

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1 Diss. ETH No Capacity Management and Contract Engineering A dissertation submitted to ETH ZURICH for ihe degree of DOCTOR OF SCIENCES presented by PHILIPPE SCHILTKNECHT Dipl. Math. ETH born 5 t h September 1975 citizen of Dübendorf (ZH) accepted on ihe recommendation of Prof. Dr. Hans-Jakob Lüthi, examiner Prof. Dr. Konrad Hungerbühler, co-examiner 2007

2 Abstract For the last few years, traditional markets have been affected by rising competition and increasing dynamics. This trend exposes many companies to new uncertainties and risks. To deal with these challenges it is necessary to increase adaptiveness and reactivity and to act proactively. This «rnobility» in general is referred to as fiexibility. The dissertation at hand focuses on the identification, valuation and comparison of different fiexibilities for the business sector Exclusive Synthesis at Lonza Group Ltd. (LES) and discusses their dependencies and interactions. The market of exclusive synthesis is specialized in customized services related to research, development and the manufacturing of chemieals. intermediates and active pharmaceutical ingredients from preclinical to commercial quantities. The market of exclusive synthesis is characterized by a small number of customers and an according «exclusivity» of contracts (make-to-order). Contracts are negotiated individually (coniraci engineering) and usually feature a high degree of customer fiexibility in terms of demand quantity and delivery date. Undoubtly this increases customers' loyalty and satisfaction but exposes the manufacturer to uncertainty with respect to production of the different products (capacity management), which may lead to capacity shortages, and require replanning and (expensive) adjustments in production. In view of the business functions «Sales & Marketing» and «Operations» this work focuses on the investigation of operational and contractual fiexibilities, by which LES can react to the uncertainties and risks mentioned above. After a general discussion about the basic workfiow at LES, the work will concentrate on different fiexibilityterms. This will be followed by a concept of how to valuate fiexibility. It is shown that for

3 viii a given contract portfolio and one bottleneck-plant the relevante LES problem can be formulated as a multistage decision problem. Given the multistage framework where for every point in time it has to be decided whether a product is to be produced now (lst stage) or will be produced at a later point in time (2 nd stage), it is argued that the basic problem can be addressed in a 2-stage framework. The corresponding 2-stage approach is formulated as a stochastic mixed integer linear program. In particular the formulation includes a profit-maximizing modeling as well as a risk-minimizing formulation based on Conditional Value-at-Risk. It turns out in the performed case study that the contractual and operational aspects are closely related and that the value of different flexibilities is determined by both the specifications of the different contracts and the operational process. In particular it will be shown that some contractual and operational flexibilities can complement one another. In view of the optimization with respect to expected profit or risk, the investigations illustrate that the valuation of flexibility yields different results for different objectives. More precisely, flexibility is generaily valued more highly under a risk perspective than under a risk neutral approach. Finally, it becomes apparent, how strong decisions may vary subject to different objectives.

4 Zusammenfassung Die meisten traditionellen Märkte waren die letzten Jahre geprägt durch stetig ansteigenden Konkurrenzdruck und zunehmende Dynamik. Durch diese Entwicklungen sind viele Unternehmen neuen Unsicherheiten und Risiken ausgesetzt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, kann versucht werden, die Anpassungs- und Reaktionsfähigkeit zu erhöhen und proaktiv (antizipativ) zu handeln. Diese «Beweglichkeit» lässt sich gemeinhin unter dem Begriff der Flexibilität zusammenfassen. Die vorliegende Dissertation fokussiert exemplarisch für den Geschäftsbereich Exclusive Synthesis der Lonza Group AG (LES) auf die Identifikation, Bewertung und den Vergleich verschiedener Flexibilitäten und diskutiert deren Abhängigkeiten und Wechselwirkungen. Das Exklusiv-Synthesis-Geschäft der Lonza ist spezialisiert auf den kundenspezifischen Service in Bezug auf Forschung, Entwicklung und Herstellung von Chemikalien, Zwischenprodukten und Wirkstoffen in vor-klinischen bis grosstechnischen Mengen. Der Markt der Exklusiv Synthese wird durch eine geringe Kundendichte und eine entsprechende «Exklusivität» der Verträge (make-to-order) charakterisiert. Die Verträge werden individuell ausgehandelt (contract engineering), wobei sie insbesondere hinsichtlich der Produktionsmengen und Lieferzeitpunkte traditionellerweise offen formuliert werden. Dies steigert die Kundenzufriedenheit und - Loyalität, setzt LES aber einer grösseren Unsicherheit in Bezug auf Planung und Produktion der verschiedenen Produkte (capacity management) aus und führt nicht selten zu Kapazitätsengpässen, Umplanungen und (teuren) Produktionsanpassungen. Mit Blick auf die Unternehmensfunktionen «Sales & Marketing» und «Operations» fokussiert diese Arbeit auf die Untersuchung der opera-

5 x tiven und vertraglichen Fleiibiliiiiien; mit denen LES auf die oben genannten Unsicherheiten und die daraus resultierenden Risiken reagieren kann. Nach einer allgemeinen Diskussion der wesentlichen Abläufe bei LES konzentriert sich die Arbeit zunächst auf unterschiedliche Flexibilitätsbegriffe. Ein Konzepte zur Bewertung von Flexibilität wird eingeführt und es wird gezeigt) dass durch Vorgabe eines Vertrags-Portfolios und Fokussierung auf eine Engpass-Anlage das für LES relevante operative Problem als mehrstufiges Entscheidungsproblem formuliert werden kann. Da im Rahmen des Mehrstufen-Modells zu jedem Zeitpunkt entschieden werden muss, welches Produkt jetzt (1. Stufe) und welche Produkte zu einem späteren Zeitpunkt produziert werden sollen (2. Stufe), wird argumentiert, dass das wesentliche Problem auch im Rahmen eines 2-Stufen Modells diskutiert werden kann. Der entsprechende 2 Stufen Ansatz wird als stochastisches gemischt ganzzahliges lineares Programm formuliert und diskutiert. Insbesondere wird dabei sowohl eine rein Profit-maximierende Modellierung vorgeschlagen als auch eine Risiko-minimierende Formulierung basierend auf dem Conditional Value-at-Risk. In den durchgeführten Fallbeispielen wird gezeigt, dass vertragliche und operative Aspekte eng zusammenspielen und der Wert verschiedener Flexibilitäten sowohl von den spezifischen Verträgen als auch dem operativen Prozess bestimmt wird. Insbesondere wird gezeigt) dass sich einzelne operative und vertragliche Flexibilitäten komplementär ergänzen. Hinsichtlich einer Optimierung nach Risiko oder Profit illustrieren die gemachten Untersuchungen, dass Flexibilitäten in Abhängigkeit der Zielvorgaben unterschiedlich bewertet werden. Insbesondere wird festgestellt, dass unter Risikoaversion Flexibilitäten tendenziell höher bewertet werden als bei einer risikoneutralen Betrachtung und es wird deutlich wie stark sich Entscheidungen unter den unterschiedlichen Gesichtpunkten ändern.