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Technischer und wirtschaftlicher Vergleich von Herstellungsverfahren bei der Entwicklung von Kunststoffhohlkörpern in Automobilanwendungen

Reuter, Martin

Kraftstofftanks sind heute nicht mehr einfache Behälter, sondern ein komplexes, hochintegriertes System in der Kraftstoffversorgungsanlage mit zahlreichen und hohen Anforderungen – auch wenn der Endkunde davon nur den Tankeinfüllstutzen und die Tankanzeige im Fahrzeug wahrnimmt. Die Anforderungen an Kraftstoffbehälter steigen z. B. hinsichtlich der Umweltanforderungen und aufgrund neuer Fahrzeugarchitekturen und Antriebskonzepte, wie z. B. im Rahmen der Elektrifizierung. Der Tank ist somit Veränderungen unterworfen. Dies erfordert laufend die Optimierung und Neugestaltung von Herstellungsprozessen und Technologien. Heute steht eine Vielzahl von alternativen Fertigungsverfahren für Kunststoffkraftstoffbehälter zur Verfügung. Tankhersteller müssen das für den jeweiligen Kraftstoffbehälter unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimale Herstellungsverfahren auswählen, um die hohen technischen Anforderungen zu erfüllen und die Komponente wirtschaftlich zu produzieren. Bei der Neuanschaffung von Anlagen sind große Investitionen zu tätigen und damit weitreichende Entscheidungen zu treffen. Dabei sind zahleiche und unterschiedlichste Kriterien zu berücksichtigen, was zu entsprechender Komplexität führt. Diese Arbeit widmet sich diesen Themen und liefert einen umfassenden Überblick über die aktuellen Herstellungsverfahren und deren Leistungsspektrum sowie die Anforderungen an moderne Tanksysteme und die Verfahren zur Produktion von Kraftstoffbehältern. Die Methoden in der Produktentwicklung und bei der Entscheidung, welches Verfahren für welchen Tank am besten geeignet ist, stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit. Für die Produktentwicklung in der Automobilindustrie existieren viele verschiedenartige Methoden und Prozessmodelle. Für die wirtschaftliche Bewertung von Produkten, Projekten und Investitionsvorhaben gibt es ebenso zahlreiche Werkzeuge und Rechenschemata. Somit entsteht bei Herstellern von Fahrzeugkomponenten und Systemen eine Vielfalt und Heterogenität von Werkzeugen im Produktentstehungsprozess. Es ist nicht möglich, ein wirtschaftlich und technisch vollständiges Bild bei der Auswahl von Herstellungsverfahren zu gewinnen, was negative Einflüsse auf die Anwenderakzeptanz, Vergleichbarkeit von Projekten und die Effizienz hat. Die vorliegende Dissertation löst dieses Problem mit einer neuen, vollständigen Methodik zur reproduzierbaren Bewertung und Auswahl von Konzepten, Herstellungsverfahren und Handlungsalternativen, insbesondere für Kunststoffkraftstoffbehälter im Zuge der Produktentwicklung. Dabei wird auch auf bekannte Methoden zurückgegriffen. Kern der Bewertung ist die Nutzwertanalyse. Die Methodik unterstützt die Integration aller relevanten Fachbereiche (z. B. strategische Planung, Entwicklung, Prozessplanung, Einkauf, Logistik, Produktion, etc.) in einem flexibel nutzbaren Tool, mit einem einheitlichen, nachvollziehbaren Vorgehen und einem vollständigen Kriterienkatalog. Die Komplexität von Produktvarianten und -konzepten und den unterschiedlichen Herstellungsverfahren sowie die Abhängigkeiten zwischen Produktausführung und Herstellungsverfahren sind damit beherrschbar. Ein zentrales Thema ist die Generierung vollumfänglicher Anforderungslisten, die neben den produkt- und verfahrensspezifischen Kriterien um ergänzende Anforderungen erweitert wer-den. Diese Anforderungslisten wurden hier zusammengeführt und nach verschiedenen Gruppen strukturiert, um handhabbare und damit bewertbare Hierarchieebenen und Cluster zu erarbeiten. So entstand ein strukturierter und gewichteter Bewertungskatalog mit technischen und wirtschaftlichen Kriterien für Produkt und Herstellungsverfahren. Die Cluster wurden gewichtet, ebenso die Kriterien. Alle relevanten Bewertungskriterien sind in eine Entscheidungssystematik eingebettet. Mit der durchgeführten Bedatung konnte eine Bewertung und Auswahl des am besten geeigneten Herstellungsverfahrens durchgeführt und das Vorgehensmodell anhand von zwei fiktiven Beispielen erprobt werden. Die entwickelten Werkzeuge bieten Hilfestellung bei der Vorauswahl und anschließenden Detailbewertung der Herstellungsverfahren anhand objektiver Kriterien, auch bei veränderlichen Anforderungen in neuen Projekten. Theoretische Ansätze lassen sich auf weitere praktische Anwendungen übertragen. Die Methodik ist auf neu hinzukommende Verfahren und andere Produkte übertragbar, ebenso ist sie herstellerspezifisch anpassbar, führt jedoch unter Umständen zu anderen gültigen Ergebnissen. Die Erstbewertung führt bei der Erprobung der Methode zu einem Ergebnis, das durch die Detailbewertung bestätigt und verfeinert wird. Die Detailbewertung liefert eine realistische Beurteilung, da das Tool im Ergebnis erwartungsgemäß jeweils das optimale Herstellungs-verfahren auswählt, mit dem vergleichbare, reale Kraftstoffbehälter in Serie gefertigt werden. Technische und wirtschaftliche Vor- und Nachteile der Herstellungsverfahren und Varianten sind transparent gegenübergestellt.

Modern fuel tanks are no longer mere containers but a complex system highly integrated in the fuel supply system with various high requirements beyond consumer perception. Fuel tank specifications have changed to meet increasing environmental requirements, modern vehicle architecture and new drive concepts, e.g., in the course of electrification. Being subject to change, fuel tanks are constantly optimized in terms of production processes and technologies. Today, there is a wide range of alternative manufacturing processes for plastic fuel tanks. To meet high technical requirements and efficiently produce high quality components, manufacturers face the task to select and/or to develop the technically and economically optimized production process for each part. Plant acquisition requires both major investments and far reaching strategic decisions, taking into account various criteria and thus increasing the complexity of the entire process. This paper deals with the above issues, giving a comprehensive overview of the current pro-duction processes and their performance and elaborates on the requirements for modern fuelling systems and fuel tank production processes, specifically focusing on methods of product development and determination of the optimized process for each tank type. The range of tools and process models for product development within automotive is com-prehensive, as is the scope of calculation schemes and economic evaluation methods for products, projects and planned investments. Gaining a technically and financially complete picture of the range of production methods in the supplier market seems a mission impossible, thus having a negative impact on customer acceptance, project comparability and efficiency. This study presents a new comprehensive and reproducible approach for evaluation and determination of processes, concepts, production methods, specifically applicable to plastic fuel tank development, considering previously published data and tested methods. The central focus of this study is on the implementation of a reliable costutility analysis for all business units involved (e.g., strategic planning, R&D, process planning, procurement, logistics, production, etc.), providing a flexible tool and a consistent, transparent procedure as well as a complete set of criteria, thus allowing controllability of the complex product and production process interdependency. Generating comprehensive requirement lists including process and product specific criteria and continuously adding further requirements is a key issue. To generate rateable and manageable hierarchy levels and clusters, requirement specifications were merged and grouped, resulting in a structured and weighted reference guide based on technical and economical product and production process criteria. The clusters and criteria were weighted; all relevant criteria are considered within the deci-sion-making method. Based on test data supplied, an optimized production process was determined and evaluated and the process model was tested with two fictitious examples. The tools developed provide a means of preselecting and fine-graining production processes based on quantifiably criteria; they are flexibly applicable to new projects and changing requirements. All related theoretical approaches are transferable to practical application; the described methodology can be applied to new processes and/or be customized to meet manufacturers’ specifications, yet, possibly with different valid results. Initial evaluation results, based on testing of principles and tools, using typical examples were verified by detailed assessments. Since the production process ultimately selected by the tool is in line with manufacturing methods used in series production of comparable fuel tank types, the tool has proven effective.

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Reuter, Martin: Technischer und wirtschaftlicher Vergleich von Herstellungsverfahren bei der Entwicklung von Kunststoffhohlkörpern in Automobilanwendungen. 2014.

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