Die Elektromobilität schreitet unaufhaltsam voran. Automobilhersteller sehen sich mit einem fundamentalen Wandel der Produktionsmethoden konfrontiert. Bühler bietet massgeschneiderte Lösungen für die kommenden Herausforderungen.
Stuart Spear | August 2021
Die Elektromobilität führt zu einem Umdenken der Produktionsmethoden für Fahrzeuge. Sowohl etablierte als auch neue Automobilhersteller überdenken ihre Herstellungsweisen. Diese sollen einfacher werden und zu Kosteneinsparungen beitragen. Ein Faktor ist die Verkleinerung der Fabriken – durch immer grössere Strukturteile werden immer weniger Roboter in der Montage benötigt. Die Industrie wechselt teilweise sogar die Materialien aus, mit denen sie die Fahrzeuge herstellt.
Bei der Automobilherstellung werden traditionell Stahlbleche in die benötigte Form gestanzt. Ein typisches Auto besteht aus Hunderten verschiedener Stahlteile, die zusammengeschweisst und eingepasst werden müssen. 1993 wagte der Automobilhersteller Audi einen radikalen Schritt, als er das Audi Space Frame Konzept für eine seiner Luxuslimousinen vorstellte. Es war der Startpunkt für ein neues Fertigungsverfahren. Für den Rahmen der Fahrzeuge verwendete Audi fortan Aluminium und baute darin Strukturbauteile ein, die im sogenannten Druckgussverfahren produziert wurden. Dabei wird geschmolzenes Aluminium in Millisekunden in eine Form geschossen und dann unter hohem Druck verfestigt.
Zwischen 2000 und 2010 folgte eine Handvoll Automobilhersteller dem Beispiel von Audi und begann, in ihren Konstruktionen Strukturbauteile zu verwenden. Während die Teile vielfältig waren, blieben die Volumina gering, da diese Autohersteller ihre Verwendung noch auf Premiumreihen beschränkten. In den folgenden Jahren stiegen mehr Produzenten auf Druckguss um. Ein Beispiel dafür ist die Produktion der Federbeinstütze, ein integraler Bestandteil der Rohkarosserie, dem Stadium, in dem der Fahrzeugrahmen bereits zusammengefügt ist und noch lackiert werden muss.
Wir sehen enorme Chancen für den Druckguss, da Newcomer den Markt verändern, indem sie sich für die Vorteile des Aluminiumdruckgussverfahrens entscheiden.
Michael Cinelli, Product Manager Die Casting
Doch erst die strengeren Umweltstandards, die eine signifikante Gewichtsreduzierung der Fahrzeuge erforderten, und der Wunsch, die Produktionskosten zu senken, führten zu einem nachhaltigen Wandel auf dem Markt. Ein Verfahren, das einst auf einige wenige Premiumreihen beschränkt war, erregte nun die Aufmerksamkeit von Automobilherstellern aller Preisklassen. Von den 78 Millionen Leichtfahrzeugen, die im Jahr 2020 weltweit produziert wurden, wurden sechs Millionen mit Strukturbauteilen hergestellt.
Noch machen Aluminiumdruckgussteile in Autokarosserien einen kleinen Teil des Marktes aus, aber ihre Zahl soll bis 2030 auf rund 25 Millionen anwachsen. Michael Cinelli, Product Manager Die Casting bei Bühler, glaubt, dass die Autoindustrie an einem Wendepunkt steht. «Wir sehen enorme Chancen für den Druckguss, da Newcomer den Markt verändern, indem sie sich für die Vorteile des Aluminiumdruckgussverfahrens entscheiden. Auf der einen Seite gibt es den Trend zur weiteren Implementierung von Strukturbauteilen in vielen verschiedenen Fahrzeugsegmenten», sagt Cinelli. «Zum anderen sind die neuen Karosseriekonzepte mit grösseren Strukturbauteilen eine hochinteressante Entwicklung. Sie führen zu einer steigenden Nachfrage nach Druckgusslösungen mit höheren Schliesskräften.»
Diese Marktentwicklung veranlasste Bühler im vergangenen Jahr, das Portfolio um die Carat 560, die Carat 610 und die noch zu lancierende Carat 840 zu erweitern, die eine Schliesskraft von 84 000 Kilonewton (knapp über 8500 Tonnen) erreicht. Die Schliesskraft ist die Kraft, mit der die beiden Formhälften zusammengehalten werden. Je grösser die Kraft, desto grösser ist das Bauteil, das unter einem bestimmten Druck mit einem Schuss Aluminium hergestellt werden kann. Diese Maschinen sind gross; die kleinste der drei, die Carat 560, wiegt etwa 400 Tonnen, also so viel wie eine Boeing 747-400.
Cinelli glaubt, dass die Entwicklung hin zu grösseren Maschinen in der Vergangenheit durch die «Henne und Ei»-Frage gehemmt worden ist. «Autobauer dachten nicht über grosse Bauteile nach, weil die Maschinen zu deren Herstellung nicht verfügbar waren, und wir hatten keinen Grund, grössere Maschinen zu bauen, weil es keine Komponenten gab, die so grosse Maschinen erforderten», sagt Cinelli. Jetzt hat sich der Markt verändert. Die Autohersteller haben erkannt, dass sie ihren Produktionsaufbau grundlegend überdenken müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Das Druckgussverfahren ist dabei das Herzstück, mit dem die Flexibilität und die Effizienz erhöht werden.
Der Aufstieg der E-Mobilität hat sich als der grösste Innovationstreiber erwiesen. Autohersteller haben erkannt, dass die Druckgussproduktion eine kostengünstige Alternative zur Blechproduktion ist. Das gilt insbesondere für Newcomer, die noch nicht über die für die traditionelle Blechfertigung notwendigen Stanz- und Montagelinien verfügen.
Unternehmen wie Tesla haben ausserdem festgestellt, dass dank grösseren Maschinen bei der Produktion einer einzelnen grossen Komponente kostspielige Prozesse wie Schweissen, Kleben oder Nieten entfallen. Für weniger Prozesse braucht es eine entsprechend kleinere Fabrikfläche und insgesamt geringere Investitionen, um grössere Mengen zu produzieren. Tesla verwendet derzeit 6000-Tonnen-Druckgussmaschinen, um den hinteren Unterboden für den Mittelklasse SUV Model Y in den USA und in China zu produzieren, wie Tesla-CEO Elon Musk in der 14. Episode des Podcasts «Third Row Tesla» im April 2020 erklärte.
Dieses Grossbauteil kombiniert 70 verschiedene Stanzteile, reduziert die Anzahl der benötigten Roboter um 300 und verringert somit den Platzbedarf der Fabrik um 30 Prozent. Grössere Maschinen können mehr Komponenten in einem Schuss produzieren. Federbeinstützen werden in der Regel zu zweit gegossen und benötigen jeweils ungefähr 70 Sekunden. Eine Druckgiessmaschine, die gross genug ist, um vier Federbeinstützen in einem Schuss zu produzieren, steigert die Produktivität erheblich und senkt die Kosten.
Die Reduktion der CO2-Emissionen ist ein heiss diskutiertes Thema, auch im Hinblick auf Elektrofahrzeuge, weshalb die Autobauer versuchen, ihre Produktionsemissionen zu senken. Die Herstellung von Primäraluminium ist sehr energieintensiv, daher suchen Unternehmen nach Möglichkeiten, es mit erneuerbaren Energiequellen zu produzieren. Für die Aluminiumproduktion wenden sich die Hersteller vermehrt an Länder wie etwa die Arabischen Emirate, wo Solarenergie genutzt wird, oder Norwegen mit seinen reichhaltigen hydroelektrischen Ressourcen. Diese Veränderungen bergen einzigartige Chancen. «Die Druckgussindustrie befindet sich an einem Scheideweg, da immer mehr Hersteller eine neue Philosophie hinsichtlich ihrer Produktionsmethoden annehmen», fasst Cinelli zusammen. «Bühler glaubt, dass die Marktkräfte die Autoindustrie in Richtung Druckguss als nachhaltige Alternative zur Karosserie aus Stahlblech drängen. Wir sind bereit, diese Nachfrage mit dem erweiterten Carat Sortiment zu decken.»
Die Carat Zweiplatten-Technologie, mit minimaler Durchbiegung und höchster Massgenauigkeit, hat sich seit langem für die Herstellung grosser und komplexer Strukturbauteile bewährt. Die einzigartige Bühler-Giesseinheit mit SC (shot control) Echtzeitregelung ermöglicht ein Höchstmass an Prozesskonstanz für stabile und reproduzierbare Teilequalität.
Alle Maschinen des erweiterten Carat-Portfolios sind mit der DataView-Steuerung ausgerüstet. Mit dem benutzerfreundlichen Multi-Touchscreen lässt sich die Druckgiessmaschine einfacher und intuitiver bedienen. Ausserdem ist jede Maschine mit dem neuen Energierahmen-Konzept ausgestattet, welcher eine klare und eindeutige Anordnung der Energiekupplungen beinhaltet. Die Carat-Baureihe ist ausserdem mit Servoantriebstechnik verfügbar.
Gupfenstrasse 5
Uzwil
9240
Schweiz
