Menschen, die heutzutage vor dem Autokauf stehen, müssen sich nicht wie früher die Frage stellen, ob Diesel oder Benziner. Sondern sie haben eine Vielzahl an Auswahlmöglichkeiten, was das Antriebskonzept betrifft. In Deutschland und Europa steht gesellschaftlich und politisch zurzeit vor allem die Elektromobilität im Fokus. Aber ist die Elektromobilität die Lösung der Probleme, die zum Teil Verbrennungsmotoren verursachen? Denn auch Elektroautos sind nicht frei von CO2. Neben dem CO₂-Ausstoß bei der Fertigung ergeben sich in fast allen EU-Ländern erhebliche CO₂-Emissionen durch das Aufladen der Akkus mit Hilfe des Stroms aus dem jeweiligen nationalen Produktionsmix. „Da auch batteriebetriebene Elektromobilität deutliche Schwächen hat, ist dieses Antriebskonzept meiner Meinung nach nur eine Übergangslösung. Länder und Unternehmen, überwiegend im asiatischen Raum, haben aber mittlerweile erkannt, dass Wasserstoff, Brennstoffzelle und synthetische Kraftstoffe, die CO₂-neutral zum Einsatz kommen könnten, jedoch tatsächlich das Potenzial aufweisen, eine langfristige Lösung zu sein“, so Lothar Horn, Geschäftsführer der Paul Horn GmbH.

Erwarteter Werkzeugbedarf

In der Automobilindustrie ist neben der Stückzahlentwicklung der Wandel zu hocheffizienten Motoren und Hybridkonzepten ein wesentlicher Aspekt. Hierfür fragt die Automobilindustrie neue Werkzeugkonzepte nach. Da rein batterieelektrische Fahrzeuge aber andererseits weniger Werkzeuge in der Fertigung benötigen, steht fest, dass hier das Bearbeitungsverhältnis deutlich sinkt. Hintergrund ist die Komponentenvielfalt. Während bisherige Antriebskonzepte rund 4.000 Bauteile hatten, beschränkt sich ein rein elektrisches Antriebskonzept auf etwa 320 Bauteile. Bei Hybridlösungen hingegen steigen die benötigten Bauteile mengenmäßig an. Hybridfahrzeuge werden in den nächsten Jahren einen wachsenden Anteil an der Summe aller Personenkraftwagen haben. Das Bearbeitungsvolumen wird dadurch mittelfristig entsprechend zunehmen. Es bleibt die Frage, wie sich der Komponentenwegfall durch den Elektromotor kompensieren lässt. Lothar Horn: „Es ergibt in erster Linie grundsätzlich Sinn, sich breiter und dadurch auch branchenunabhängiger aufzustellen. Im Bereich Zerspanung gibt es eine Vielzahl von Branchen wie beispielsweise die Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Chemie, Medizintechnik sowie den Werkzeug- und Formenbau. Daher ist es auch eine strategische Entscheidung, in welche Richtung man sich entwickelt beziehungsweise entwickeln möchte. Hybride Lösungen führen zu mehr Zerspanung, rein batteriebetriebene Antriebslösungen benötigen deutlich weniger Zerspanung als bisher.“

Werkzeuglösungen auch für Elektromotoren

Oft kommen zur Effizienzsteigerung Turbolader zum Einsatz. Diese bestehen zumeist aus hochwarmfesten und schwer zu zerspanenden Werkstoffen. Auch durch die Hybridisierung erfolgt eine Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren. Grundsätzlich ist es sinnvoll zu prüfen, ob man durch kundenspezifische Sonderwerkzeuge Leistungssprünge im Herstellungsprozess erreicht. Auch neue Möglichkeiten der Zerspanung wie zum Beispiel Wälzschälen kommen dabei zum Tragen. Das Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen ist seit über 100 Jahren bekannt. Eine breitere Anwendung findet es aber erst, seit Bearbeitungszentren und Universalmaschinen mit voll synchronisierten Spindeln und verfahrensoptimierter Software die Anwendung dieser hochkomplexen Technologie ermöglichen. Jedoch ist hierbei festzuhalten, dass dies keine reine Lösung für Elektromobilität ist, sondern eine breite Anwendung auch im Bereich Aerospace und weiteren Branchenanwendungen findet.

E-Mobilität konkurriert um Rohstoffe

Die batteriegestützte Elektromobilität mit ihren derzeitigen Lithium-Ionen - Akkumulatoren hat aber noch einen weiteren Effekt. Die Batterien benötigen, wie beispielsweise Hartmetallwerkzeuge auch, das Element Kobalt. Das größte Wachstum bezüglich wieder aufladbarer Batterien entfällt mit Abstand auf Anwendungen in der E-Mobilität, aber auch die Speicherung regenerativer Energien sowie mobile Applikationen wirken sich steigernd auf die zukünftige Nachfrage aus.

Ausblick

Aktuell gehen Prognosen des VDMA auf lange Sicht von einer steigenden weltweiten Jahresproduktion an PKW aus. Das Zerspanvolumen ist dabei antriebsabhängig. Des Weiteren zeigen die VDMA-Studien auf, dass Hybridfahrzeuge (Mild-Hybrid und Plug-in-Hybrid) in Zukunft vermutlich einen größeren Anteil einnehmen als rein batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, was zu einem erhöhten Zerspanvolumen führt. „Bis es zu einer langfristigen Lösung im Antriebsstrang kommt, bleiben dem Endkunden eine Vielzahl an Auswahlmöglichkeiten – einschließlich moderner Diesel- und Benzinmotoren.“ so Lothar Horn und ergänzt: „Moderne Diesel- und Benzinmotoren haben auch künftig noch großes Potential.“

Aktuelles Zerspanungsbeispiel

In unter vier Sekunden von 0 auf 100 km/h, 160 kW Leistung und Teamgeist: Das erleben die Teilnehmer der Formula Student vom Team Raceyard der Fachhochschule Kiel. Mit ihrem eigenentwickelten und selbst gefertigten Elektrorennwagen treten sie in der Kategorie "E" an. Für die Fertigung von Bauteilen des Wagens berät Horn die Kieler Studenten im Bereich Werkzeuge für Dreh- und Fräsbearbeitungen.

Die Zusammenarbeit mit dem Institut für Computer integrated manufacturing – Technologietransfer (CIMTT) besteht schon seit mehreren Jahren. Der zuständige Außendienst berät die mechanischen Werkstätten des Institutes mit Zerspanungslösungen und Werkzeugen. Über diese Schnittstelle kam auch die Anfrage des Renn-Teams Raceyard. Diese Anfrage beantwortete der Tübinger Werkzeughersteller mit einem Werkzeugsatz, welcher die Systeme Supermini des Typs 105, Ein- und Abstechsystem S100, Boehlerit ISO-Schneidplatten sowie DS-Alufräser beinhaltete. Dadurch konnte die Mechanikabteilung auch knifflige Zerspanungsaufgaben lösen, welche aufgrund langer Auskragungen und enger Bohrungen nur schwer zugänglich waren.

Selbst entwickelt und gefertigt

Bis auf wenige Bauteile ist der Rennwagen selbst entwickelt und gefertigt. Für die Bremssättel setzten die Kieler auf die Selective-Laser­-Melting-Technologie. Mit dem additiven Fertigungsverfahren druckten sie die eigens konstruierten Bremssättel aus einer Aluminiumlegierung. Beim Ausspindeln der Zylinderlauffläche des Bremskolbens setzten die verantwortlichen Mechaniker auf das Horn-System Supermini Typ 105. Durch die dreidimensionale Form des Sattels und die engen Toleranzen des Zylinders war die Fertigung eine Herausforderung für die Mechaniker.

Das Zerspanen des Achsschenkels aus Aluminium übernahm ein dreischneidiger VHM-Schaftfräser des Systems DS mit polierten Spanräumen. Die Schwierigkeit bestand bei diesem Bauteil in der langen Auskragung des Werkzeugs. Des Weiteren wählten die Techniker aufgrund der Bauteilgeometrie das Fräswerkzeug mit Überlänge. Durch die polierten Spanräume und aufgrund der Geometrie des Fräsers entstehen während der Bearbeitung keine Probleme mit aufklebenden Spänen und Rattermarken.

Formula Student

Die Formula SAE wurde 1981 in den USA gegründet und später als Formula Student nach Europa ausgeweitet. Seit 1999 gibt es jährliche Events im englischen Silverstone und seit 2006 auch in Deutschland auf dem Hockenheimring. Mittlerweile macht die Formula Student auch in Italien, Spanien, Brasilien oder in Japan halt und trägt dort Wettbewerbe aus. Die Formula Student ermöglicht es ambitionierten Studierenden, sich intensive praktische Erfahrungen in Konstruktion, Fertigung und wirtschaftlichen Aspekten rund um den Automobilbau anzueignen – und das Ganze außerhalb eines Hörsaals. Jedes Team entwickelt dazu einen einsitzigen Rennwagen auf Grundlage eines umfangreichen Regelwerks.