Die Elektromobilität als Chance für den Maschinenbau

| Autor: Stefanie Michel, Stéphane Itasse

Steigt die Anzahl der Elektrofahrzeuge, werden sich auch die Fertigungsverfahren verändern. Für den Maschinenbau bietet sich hier ein Potenzial, auf das er bereits heute reagieren kann.
Steigt die Anzahl der Elektrofahrzeuge, werden sich auch die Fertigungsverfahren verändern. Für den Maschinenbau bietet sich hier ein Potenzial, auf das er bereits heute reagieren kann. (Bild: ZF Friedrichshafen)

Elektrische Antriebe in Fahrzeugen werden zunehmen. Wenn traditionelle Antriebsstränge zukünftig an Bedeutung verlieren, gilt das auch für deren Produktionsverfahren und -technik. So sind Maschinenbau und Antriebstechnik-Hersteller gefragt, diese Transformation hin zur Elektromobilität mitzugestalten und neue Wertschöpfungspotenziale zu entwickeln.

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs wird nicht nur die Mobilität verändern, sondern ebenso die Fertigungsindustrie beziehungsweise den Maschinenbau. Zum einen bedingen neue Anforderungen an die Elektroantriebe auch neue Verfahren in der Produktion. Zum anderen werden sich die im Fahrzeug eingesetzten Komponenten verändern. Darauf müssen sich die Zulieferer einstellen – hinsichtlich Supply Chain bis zum Automobilhersteller und ebenso hinsichtlich der produzierten Stückzahlen. Doch auch die Automobilhersteller selbst stehen vor der Herausforderung, diesen Wandel hin zur Elektrifizierung, der eine Zunahme an Komplexität mit sich bringt, in ihre Prozesskette zu integrieren.

Wie die Elektromobilität den Maschinenbau bedroht Bis zu 50 % sind einzelne Fachzweige des Maschinenbaus von der Automobilindustrie abhängig. Mit der Elektromobilität drohen teilweise empfindliche Verluste, wie eine neue Studie zeigt. Um von der Entwicklung zu profitieren, müssen sich die Unternehmen neu positionieren.
Die Managementberatung Porsche Consulting geht in ihrer neuen Studie „Auswirkungen der Elektrifizierung des Automobils auf den deutschen Maschinenbau“ davon aus, dass der Markt für Elektrofahrzeuge ab dem Jahr 2030 stark zunimmt und ab 2035 mehr Pkw mit reinem Elektromotor als mit Verbrennungsmotor abgesetzt werden. Da ein Elektromotor weitaus weniger Teile enthält als ein Verbrennungsmotor und in vielen Antriebskonzepten zudem das Getriebe entfällt, sehen die Berater gravierende Auswirkungen vor allem für die Anbieter von Werkzeugmaschinen, aber auch von Öfen und Brennern, Pumpen für Werkzeugmaschinen, Werkzeugen und Spannmitteln sowie Walzwerkseinrichtungen und Gießereimaschinen. So erwarten die Autoren der Studie beispielsweise, dass die Zerspananteile im Jahr 2030 bei 91 % und im Jahr 2050 bei 55 % des heutigen Umfangs liegen – bei einem insgesamt wachsenden Automobilmarkt. Die Berater prognostizieren deshalb, dass ab 2030 im Maschinenbau mit einem Rückgang der jährlichen Wachstumsraten auf knapp 1 % zu rechnen ist. In besonders betroffenen Wirtschaftszweigen, wie der Werkzeugmaschinenindustrie, müssen bis zum Jahr 2050 mehr als 20 % der Wertschöpfung anderweitig erbracht werden. Auf der anderen Seite kann der Maschinenbau durch eine bewusste Neupositionierung auf einem insgesamt wachsenden Pkw-Markt (+ 130 % bis zum Jahr 2050) im Zuge der Elektromobilität auch profitieren.

Im Geflecht rund um die Automobilindustrie haben sich zudem die Werkzeugmaschinenhersteller eine zentrale Stellung erarbeitet. Doch auch sie sind bisher stark vom Verbrennungsmotor abhängig, indem sie Werkzeuge für Fertigungsverfahren liefern, die beim Elektromotor nicht mehr anfallen. Beispielsweise werden formgebende Verfahren sukzessive von Montageprozessen abgelöst, die bei der Produktion von Elektromotoren, aber auch von Batterien oder Brennstoffzellen eine größere Rolle spielen. Zwar wird es an Autos weiterhin Bauteile geben, die beispielsweise zerspant werden, doch deren Anteil wird sich verringern. Somit sind die Werkzeugmaschinenhersteller ebenfalls betroffen und müssen im Hinblick auf die Elektrifizierung neue Produkte entwickeln sowie zukunftsfähige Geschäftsmodelle vorstellen.

Die Zeit ist reif für den Elektroantrieb

Im Fokus dieser Betrachtung steht der elektrische Antriebsstrang und der Elektromotor selbst – und gerade hier ist der Maschinenbau als Innovationstreiber gefragt. Angesichts des schleppenden Absatzes von Elektrofahrzeugen stellen sich die Unternehmen natürlich die berechtigte Frage, ob die Zeit für Veränderungen bereits reif ist. Doch wer kann in die Zukunft blicken? Prognosen für den Absatz von Elektrofahrzeugen im Jahr 2030 gibt es einige, doch zu einem einheitlichen Ergebnis kommen sie nicht. Eine aktuelle Studie des Industrieverbands Giesserei-Chemie erwartet für Europa 2030, dass der Anteil der Elektrofahrzeuge am Absatz fast 30 % beträgt. Der VDMA hingegen geht beispielsweise in seiner Studie „Antrieb im Wandel“ von lediglich 21 % aus. Nichtsdestotrotz werden elektrische Antriebe in Fahrzeugen einen immer größeren Marktanteil erlangen und damit wird sich das Produktionsvolumen für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor in Zukunft verringern. Angesichts der langwierigen Transformationsprozesse ist es daher wichtig, sich schon heute auf zukünftige Veränderungen einzustellen – sowohl als Anbieter von Produktionsmaschinen als auch als Anbieter der Antriebssysteme.

Den Elektromotor in hohen Taktzeiten herstellen

Eines der Unternehmen, die sich auf neue Entwicklungen bereits einstellen, ist Trumpf. Auf seiner Hausmesse präsentierte das Unternehmen Laserverfahren, die in rund einer Minute alle Schweißungen eines Elektromotors durchführen können. „Mit unserem Schweißverfahren für die sogenannten Hairpins sorgen wir dafür, dass sich Elektromotoren schnell, sicher und kostengünstig herstellen lassen. Das aufwändige Wickeln von Spulen mit dicken Kupferdrähten für starke Elektromotoren entfällt“, sagte Christian Schmitz, Chief Executive Officer Laser Technology bei Trumpf. Beim Hairpin-Verfahren schießt eine Druckluftpistole einen rechteckigen Kupferdraht, einer Haarnadel ähnlich, in eine Nut am Rand des Motors. Anschließend werden die Drähte ineinander verdreht und per Laser geschweißt.

Fertigungsmöglichkeiten von Trumpf in Bereichen der Elektromobilität

Der Elektromotor steht im Fokus für zukünftige Antriebe in Fahrzeugen, denn er wird sowohl im Hybrid-, im Brennstoffzellen- als auch im reinen Elektrofahrzeug benötigt. Im Moment kommen vor allem Asynchronmotoren, sowie permanent erregte und fremderregte Synchronmotoren zum Einsatz.

Wichtig ist, dass sich die Elektromotoren in Großserie fertigen lassen, was beispielsweise mit dem Hairpin-Verfahren möglich ist. „Hairpins ermöglichen es, einen Stator für einen Elektromotor in Taktzeiten wie bei einem Verbrennungsmotor herzustellen“, erklärt Prof. Jürgen Fleischer, Leiter des Bereichs Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung am wbk Institut für Produktionstechnik des KIT. Dort startete im letzten Jahr ein Projekt, um Anlagen zur serien- und typenflexiblen Fertigung von Elektromotoren für Fahrzeuge zu entwickeln. In der Hairpin-Technologie sieht man aktuell das größte Potenzial, um die Produktion von Elektromotoren für Autos in den kommenden Jahren serien- und typenflexibel zu gestalten.

Komplexe Geometrien von Elektroblechen für mehr Energieeffizeinz

Schuler sieht sich generell auf die Transformation zur Elektromobilität vorbereitet und bietet Anlagen zur Serienfertigung von Bauteilen für Elektroautos – ob Karosserie- und Strukturteile, Metallgehäuse für Batterien oder Elektrobleche für Motoren, berichtet Manfred Van Nerum, Head of Business Unit Drives and Generators beim Göppinger Pressenhersteller. „Volkswagen stellt auf einer Schnellläuferpresse von Schuler Elektrobleche für den e-Golf und e-Up! her“, nennt er bereits ein Anwendungsbeispiel.

Diese Schnellläuferpresse zum Stanzpaketieren von Elektroblechen kommt nach seinen Worten bereits bei mehreren namhaften Automobilherstellern und -zulieferern in der Produktion von Elektromotoren zum Einsatz. „Sie verarbeitet eine Blechdicke von gerade einmal 0,2 mm, was die Herstellung von Elektromotoren mit niedrigeren Wirbelstromverlusten und folglich höherem Wirkungsgrad bei sinkendem Stromverbrauch ermöglicht“ erläutert Van Nerum.

Unter anderem mit dem Wirkungsgrad lässt sich auch die Reichweite von Elektroautos erhöhen, weshalb Van Nerum einen Trend in diese Richtung bei seinen Kunden sieht: „Zunehmend komplexe Geometrien von Elektroblechen ermöglichen eine höhere Energieeffizienz. Die Anzahl der Stanzschritte steigt entsprechend, und dies erfordert längere Folgeverbundwerkzeuge. Gleichzeitig wachsen die Elektrobleche in ihrem Durchmesser, damit die Motoren eine höhere Leistung erzielen, oder werden in zwei versetzten Spuren gestanzt, um 8 bis 10 % Material einzusparen“, sagt er auf Anfrage von MM Maschinenmarkt. Die Folge: Die Pressen benötigten einen größeren Werkzeugeinbauraum, um die längeren und teilweise doppelt so schweren Folgeverbundwerkzeuge aufspannen zu können, und müssten dennoch eine genauso geringe Durchbiegung und genauso hohe Präzision auch in Bezug auf die Spaltmaße bieten – und das alles bei voller Hubzahl.

Pressen auf Anforderungen der Elektromobilität anpassen

Schuler reagiert nach Auskunft von Van Nerum auf den Trend zu längeren Werkzeugen mit der Verlängerung des Pressentischs seiner E-Mobility-Presse Smartline EV 3.8 von 3,30 auf über 3,70 m bei einer Ständeröffnung von 3800 mm. Dank der spielfreien Stößelführung und der Steifigkeit arbeite die Presse dennoch auf Hundertstel Millimeter genau, selbst bei mehreren Hundert Hub pro Minute. „Mit dem Performer S hat Schuler darüber hinaus eine Nutenstanze mit einer Flexibilität im Programm, wie sie keine andere vergleichbare Maschine auf dem Markt bietet: Auf ihr entstehen Elektrobleche mit einem Durchmesser von 80 bis 1800 mm mit einer Nutteilungsgenauigkeit von hundertstel Millimetern“, berichtet er.

Der Trend zu längeren Werkzeugen berührt auch die Werkzeugbauer selbst. „Das Handling der immer größeren Elektroblechwerkzeuge stellt viele Kunden vor Herausforderungen. Ein Ansatz besteht darin, diese in mehrere Module zu unterteilen. Konstruktive Anpassungen des Werkzeuges ermöglichen eine positive Beeinflussung der Bauteilqualität im Prozess“, sagt Dirk Schreier, Head of Business Unit Cutting bei der Schuler-Tochter Aweba. Darüber hinaus untersucht sein Unternehmen die Potenziale anderer Verfahren als wirtschaftliche Alternative zum Stanzpaketieren.

Für die kommenden Jahre rechnet der Schuler-Fachmann damit, dass die Blechdicke unter 0,2 mm sinken wird, während die Länge der Werkzeuge voraussichtlich weiter wächst. „Zur Massenfertigung von Elektromotoren wird es außerdem unvermeidbar sein, die Produktionsprozesse mit Robotern durchgehend zu automatisieren. Unser Anspruch ist es, unseren Kunden komplette Fertigungslinien aus einer Hand anzubieten, wie wir es für viele andere Produkte bereits tun“, sagt Van Nerum.

Stanzen von Elektroblechen mit hoher Präzision

Auch der Pressenhersteller Haulick+Roos rüstet sich für die Elektromobilität. Seine neuen Präzisionspressen der ROP-Baureihe (Stanz- und Umformautomaten sowie Servopressen) und der Baureihe ROS (Hochleistungsstanzautomaten) hat der Maschinenbauer für die Herstellung von Blechen für Elektromotoren und Teile für die Elektromobilität ausgelegt. Mit Präzisionspressen bis 5000 kN Presskraft und Werkzeugeinbauräumen bis 3500 mm erweitert das Unternehmen sein Produktprogramm im oberen Presskraftbereich.

Präzisionsstanz- und -umformteile
auch für die E-Mobilität

Haulick+Roos

Präzisionsstanz- und -umformteile auch für die E-Mobilität

29.05.18 - Präzisionsstanz- und umformautomaten sind ein zentraler Bestandteil einer kompletten Fertigungslinie. Haulick+Roos entwickelt und fertigt mit den Präzisionspressen der ROP- beziehungsweise der ROS-Baureihe spezielle Maschinen für die Herstellung von präzisen Stanz- und Umformteilen. lesen

Um das Kippen des Stößels zu reduzieren und dadurch ein präzises Eintauchten der Stempel in die Werkzeugmatrize sicherzustellen, weist der Präzisionsstanzautomat eine extrem hohe Kippsteifigkeit des Stößel auf, wie das Unternehmen berichtet. Außermittige Belastungen im Werkzeug erfordern eine entsprechende Kippsteifigkeit, die ebenfalls dafür sorgt, dass der Stempel gerade in Matrize eintaucht. Diese Kippsteifigkeit erhöht die Qualität der Teile und stellt lange Werkzeugstandzeiten sicher.

Ein weiteres Merkmal der neuen Maschinen ist der Temperaturausgleich durch einen geschlossen Ölkreislauf im Pressenrahmen. Dabei ist der gesamte Pressentisch als Öltank ausgeführt. Dadurch werden geringe Temperaturunterschiede zwischen Stößel und Pressentisch und somit auf Werkzeugunterteil und Werkzeugoberteil sichergestellt. Die Temperaturstabilität des Pressenrahmens ist für das Präzisionsstanzen erforderlich, da die identische Temperatur im Werkzeugunterteil und Werkzeugoberteil den Versatz zwischen Schneidstempel und Matrize minimiert und zu höheren Werkzeugstandzeiten führt.

Zulieferer als Vorreiter der Elektromobilität

Doch nicht nur Hersteller von Produktionsmaschinen stellen sich auf die zunehmende Elektrifizierung ein. Auch manche Antriebstechnik-Hersteller aus der Industrie haben bereits ein Standbein in der Fahrzeugindustrie oder arbeiten zumindest in Projekten mit Automobilherstellern zusammen. Vorreiter sind sicherlich mächtige Zulieferer wie Bosch, ZF Friedrichshafen oder Schaeffler, die inzwischen komplette elektrisch angetriebene Achsen oder Achsantriebssysteme liefern. Sie investieren nicht zum Selbstzweck sondern aufgrund des Drucks: Dieselfahrverbote, autonomes Fahren, Carsharing und natürlich die Elektrifizierung sind nur einige Treiber für einen Wandel, der ganz besonders die Zulieferer für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren trifft. Das drängt sie zum Handeln, um am Ende nicht den Anschluss an Entwicklungen zu verlieren und beispielsweise von chinesischen Unternehmen hinsichtlich neuer Konzepte für alternative Antriebe überholt zu werden.

Der viel zitierte Vergleich zwischen Verbrennungs- und Elektromotor zeigt plakativ die Unterschiede: Während der herkömmliche Verbrennungsmotor aus etwa 2500 Bauteilen besteht, benötigt der Elektromotor nur 250 Teile, Zylinder, Getriebe, Turbolader, Kat, Partikelfilter und weitere Bauteile sind überflüssig. Andererseits sind die Materialkosten für einen elektrischen Antriebsstrang bei der Herstellung deutlich höher (inklusive der Batterie) und die Wertschöpfung reduziert sich, wie die bereits erwähnte Studie des VDMA aufzeigt (siehe Titel-Grafik). Dennoch, so die Studie, könnte bei der Produktion von elektrischen Antrieben davon ausgegangen werden, dass ein jährliches Wachstum der Wertschöpfung (ohne Batteriezellenproduktion) von 1,7 % erzielt werden kann.

Kooperationen stärken Kompetenzen der Zulieferer

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs im Fahrzeug ist allerdings mehr als nur der Einsatz eines Elektromotors. Es geht um komplexe Antriebssysteme, die sich achsnah in die Konstruktion des Fahrzeug einfügen müssen. Nicht jeder Zulieferer hat beziehungsweise hatte diese Kompetenzen im Haus und sucht Partner. Das haben der Zulieferer für Verbrennungsmotoren Gehring und der Hersteller von Produktionstechnik im Bereich des elektrischen Antriebsstrangs, Coppering, getan, um für zukünftige Antriebskonzepte gerüstet zu sein. Auch Schaeffler hat von Semikron den Hersteller von Hochleistungselektromotoren Compact Dynamics GmbH übernommen.

Auch wenn der Druck hin zu Elektrofahrzeugen in Europa bisher nicht ausgeprägt war: China macht politisch Druck. Der VDMA erwartet dort ein jährliches Wachstum von 2,4 % bis 2030, was einen Anstieg auf 32 Mio. Elektrofahrzeuge bedeutet. Die Automobilindustrie ist global aufgestellt und kann, wenn sie nicht heute schon die Weichen stellt, schnell den Anschluss verlieren. Stefan Bratzel, Studienleiter der oben genannten Studie des IVG und Direktor des Center of Automotive Management (CAM), warnt, auch wenn die Elektromobilität vor allem in Deutschland erst zu Beginn der 2020er-Jahre an Dynamik gewinnen wird: „Zu viel Zeit sollten sich die Unternehmen angesichts der enormen Anforderungen für die Umsetzung derartiger Transformationsstrategien aber nicht lassen.“

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