Mobilität im Umbruch
Die globale Automobilindustrie durchläuft einen tiefgreifenden Wandel, und Bühler kann dabei ein wichtiger Lösungsanbieter sein. Es ist aber nicht nur die Art, wie Autos angetrieben werden, die sich ändert. Während der Verbrennungsmotor langsam ersetzt wird, werden auch viele der alten Konventionen darüber, wie ein Auto hergestellt wird, wer es herstellt, wofür es ausgelegt ist und wer es besitzt, infrage gestellt. Bühlers Geschäftsbereich Advanced Materials ist Teil dieser bewegten Geschichte.
Stuart Spear, Juni 2022
«Es schwappt eine grosse Welle über die Automobilindustrie, und wir planen, mit einigen unserer Lösungen auf dieser Welle zu surfen», sagt Markus Hofer, Head of Business Development bei Bühler Advanced Materials. «Im Gegensatz zum Lebensmittel- und Futtersektor, wo wir Gesamtlösungen anbieten können, liefern wir bei Advanced Materials wesentliche Schritte in einer sehr langen Lieferkette. Unsere drei Geschäftsbereiche sind in der Batterieproduktion, im Druckguss und in der Sensorbeschichtung involviert und bieten Schlüssellösungen in diesem Übergangsprozess.»
Elektroautos sind im Vergleich zu Modellen mit Verbrennungsmotor einfacher zu konstruieren und herzustellen. Ausgeklügelte Lieferketten ersetzen die riesigen kapitalintensiven Fabriken, die in der Vergangenheit den Zutritt zum Markt erschwerten. Das bedeutet auch, dass jetzt Newcomer unsere Autos bauen. Tesla hat die traditionelle Vorgehensweise auf den Kopf gestellt, während sich kapitalkräftige Hightech-Unternehmen wie Google darauf vorbereiten, in den Markt einzutreten mit der Vision, dass Autos als Plattformen für hochentwickelte Softwarelösungen dienen, die Konnektivität und Automatisierung ermöglichen.
Es schwappt eine grosse Welle über die Automobilindustrie. Wir planen, mit einigen unserer Lösungen auf dieser Welle zu surfen.
Markus Hofer,
Head of Business Development bei Bühler Advanced Materials
Im Zentrum dieses Wandels steht das Elektrofahrzeug, und das Herzstück jedes Elektroautos ist eine Batterie. Während die Regierungen sich bemühen, die globalen Treibhausgasziele zu erreichen, und die Städte Vorschriften erlassen, um die Luftqualität für ihre Einwohnerinnen und Einwohner zu verbessern, beschleunigt sich die Abkehr vom Verbrennungsmotor. Der weltweite Absatz von Elektrofahrzeugen hat sich im vergangenen Jahr mit 6,6 Millionen Fahrzeugen mehr als verdoppelt und soll bis 2030 auf 40 Millionen ansteigen.
Bis vor Kurzem waren die Leistung und die Kosten der Batterien einer der Hemmschuhe für das Wachstum des Elektrofahrzeugmarktes. Da sie rund ein Drittel der Herstellungskosten eines Elektroautos ausmachen, war die Fähigkeit, die Kosten zu senken und gleichzeitig die Leistung zu verbessern, der Schlüssel zur Herstellung erschwinglicher Elektroautos. Eine Lösung von Bühler, die ein neuartiges Verfahren zum Mischen der Elektrodenaufschlämmung der Batterie bietet und seit über zehn Jahren entwickelt wird, hat dazu beigetragen, diese so wichtige Effizienz zu erreichen.
Der erste Produktionsschritt in jeder Batterieproduktionsanlage ist das Mischen von Materialien zu einer hochwertigen und konsistenten viskosen Paste, die schliesslich die Anode und die Kathode beschichtet, die den elektrischen Strom erzeugen. Die Nanound Mikropartikel aus Lithium-Metalloxiden, Graphit, Silizium, leitfähigen Additiven und polymeren Bindemitteln werden nach strengsten Parametern dispergiert und als Batterieslurry oder Elektrodenslurry bezeichnet. Die chemische Zusammensetzung und der Aufbau dieser Paste bestimmen die Leistung der Batterie. Bei Batterien für Elektroautos besteht die Anode vorwiegend aus Graphit und Silizium/Siliziumoxid, während die Kathode entweder aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid oder aus Lithium-Eisenphosphat zusammengesetzt ist. «Wir liefern zwar nur einen kleinen Teil der gesamten Wertschöpfungskette, sind aber tief in der Branche verwurzelt, denn nur wenn die Paste nach den strengsten Parametern gemischt wird, kann eine hohe Batterieleistung erzielt werden», sagt Philipp Stössel, Team Manager Process Technology Battery Solutions bei Bühler Grinding & Dispersing. «Beim Mischen der Paste verfügen wir über jahrelanges internes Wissen über die Feinabstimmung der erforderlichen Eigenschaften und die Ausgestaltung einer Produktionsanlage, und genau diese Erfahrung unterscheidet uns von der Konkurrenz.»
Beim Mischen der Paste verfügen wir über jahrelanges internes Wissen über die Feinabstimmung der erforderlichen Eigenschaften und die Ausgestaltung einer Produktionsanlage.
Philipp Stössel,
Team Manager Process Technology Battery Solutions bei Bühler Grinding & Dispersing
In einer Branche, in der die asiatischen Batteriehersteller seit jeher weltweit führend sind, werden bei der traditionellen Methode zum Mischen von Batterieslurry alle Elemente in grossen Fässern gemischt. Die Verarbeitungszeiten für die Aufschlämmung sind lang, und nach Abschluss einer Mischung muss jeder Bottich aufwendig gereinigt werden. Die Proben werden zur Analyse in ein Labor gebracht, und bei Qualitätsproblemen kann es zu Chargenverlusten kommen. Vor zehn Jahren kam Bühler auf die Idee, Doppelschneckenmischer für eine kontinuierliche Mischung zu verwenden. Das verkürzte den Betrieb und führte zu höherer Konsistenz, besserer Qualität und weniger Ausschuss. Bühler nutzte sein Wissen über die kontinuierliche Produktion von Hightechund Non-Food-Produkten und wandte Technologien aus anderen Geschäftsbereichen an, um eine Alternative zur traditionellen Chargenmischung zu schaffen.
«Das Schöne an diesem Prozess ist, dass er kontinuierlich abläuft. Alle Rohstoffe werden an verschiedenen Stellen zugeführt und nach nur ein oder zwei Minuten wird die endgültige Paste ausgegeben», erklärt Stössel. «Einer der grossen Vorteile dieses kontinuierlichen Prozesses ist die Möglichkeit, ihn zu automatisieren und 24 Stunden am Tag laufen zu lassen, ohne die Produktion für die Reinigung der Anlagen unterbrechen zu müssen.»
Bühler brachte daraufhin QuaLiB auf den Markt, ein Expertensystem für die Qualitätskontrolle, das digitale Echtzeitdaten zu den automatisierten Mischparametern und kontinuierliche Stichproben der Pastenqualität liefert. Mit den Echtzeit-Datenströmen der Produktionsparameter kann die Qualität nun genau kontrolliert werden, was die Prozesssicherheit, die Produktqualität und den Gesamtertrag verbessert. Bühler beteiligt sich auch an der Erforschung neuer Technologien wie Lithium-Ionen-Bat-terien in festem Zustand oder vollständig trocken verarbeitete Elektrodenformulierungen, die billiger herzustellen sind, da sie keine Lösungsmitteltrocknung im Elektrodenbeschichtungsprozess erfordern.
«In diesem Bereich sind wir sehr aktiv und sammelnständig neue Erfahrungen. Der Doppelschneckenmischer ist die ideale Plattform, um an neuen Verfahrenstechniken zu forschen», sagt Stössel.
Es setzt sich immer mehr die Erkenntnis durch, dass in den heutigen Megastädten, in denen Carsharing wohl immer verbreiteter wird, der Wunsch nach maximaler Reichweite mit einer einzigen Ladung nicht mehr der heilige Gral ist wie für andere Autofahrer.
Für diejenigen Hersteller, die eine maximale Reichweite anstreben, ist auch das Gewicht des Fahrzeugs ein wichtiger Faktor. Auch hier spielt Bühler eine Schlüsselrolle und unterstützt die sich verändernde Art und Weise, wie Autos gebaut werden. Im Sommer 2019 kündigte Elon Musk an, dass sein Unternehmen grössere Autokomponenten herstellen würde, anstatt sich auf die traditionelle Methode zu stützen, bei der mehrere Stahlteile gestanzt und von Robotern zusammengeschweisst werden. Dieser neue Trend in der Autoindustrie führt als logische Konsequenz zu immer grösseren Carat-Druckgussmaschinen.
Die grössten Druckgussmaschinen von Carat sind so gross wie ein Einfamilienhaus. Sie sind bis zu acht Meter hoch und beanspruchen eine Grundfläche von etwa 100 Quadratmetern. «Die Carat 920 ist in der Lage, innert Millisekunden mehr als 200 Kilogramm flüssiges Aluminium in eine Form zu spritzen – und das mit einer Schliesskraft von 92 000 Kilonewton. Stellen Sie sich vor, Sie würden die Gussform mit dem Gewicht des gesamten Eiffel-turms von 9000 Tonnen schliessen – und das bei jedem einzelnen Schuss», erklärt Michael Cinelli, Product Manager bei Bühler Die Casting.
Das Ergebnis sind die sogenannten Megagussteile. Sie verringern die Komplexität in der Produktion, da zwischen 70 und 100 Teile durch ein einziges Druckgussteil ersetzt werden können. Diese einteiligen Gussteile werden in der Regel in der Nähe der Montagelinie des Fahrzeugs hergestellt, was eine bessere Integration und kürzere Transportwege ermöglicht. Aluminiumgussteile haben das Potenzial, nahezu CO₂-neutral zu sein, wenn Aluminiumlegierungen mit niedrigem CO₂-Gehalt und Biogas für die Schmelzöfen verwendet werden. Das Aluminium, das im Überlauf landet, kann direkt wieder eingeschmolzen und in der Druckgiesszelle wiederverwendet werden, wodurch Transport und Recycling vermieden werden. Denkt man einen Schritt weiter, kann die Verwendung leichterer Aluminiumteile den Energieverbrauch der Autos über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg senken.
Die Autohersteller können sich mehr auf die Nachhaltigkeit der Produktion konzentrieren, da sie das Stanzen von Stahl und das Zusammenschweissen von Teilen durch einen einzigen Schuss Aluminium ersetzen.
Martin Lagler,
Global Director Product Management & Marketing bei Bühler Die Casting
«Einige Innovatoren haben die Herstellung von Karosseriestrukturen grundlegend neu erfunden, was die Druckgussindustrie tiefgreifend verändert», erklärt Martin Lagler, Global Director Product Management & Marketing bei Bühler Die Casting.
«Die Autohersteller können sich mehr auf die Nachhaltigkeit der Produktion konzentrieren, da sie das Stanzen von Stahl und das Zusammenschweissen von Teilen durch einen einzigen Schuss Aluminium ersetzen. Es ist jetzt auch möglich, dass Aluminium fast CO₂-neutral wird, wenn in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung wie in Nordafrika oder aber in den nordischen Ländern produziert wird, wo die Energie aus Wasserkraft stammt.»
Bühler treibt die Innovation von hochmodernen Beschichtungen für Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) voran. Bühler Leybold Optics mit Sitz in Alzenau bei Frankfurt am Main ist auf die Herstellung von Dünnschicht-Vakuumbeschichtungsanlagen sowie Beschichtungsprozesse mit Schwerpunkt auf optischen Schichten spezialisiert. Die Reise von Bühler von der Optik zur Photonik, der physikalischen Wissenschaft der Lichtwellen, begann 1995 mit der Herstellung von Beschichtungen für Kameraobjektive, Mikroskope und optische Fasern.
Heute ist Bühler Marktführer im Bereich der optischen Beschichtung von Sensoren, während die Automobilindustrie Fortschritte in der fahrerunterstützenden Technologie macht und sich in Richtung Vollautomatisierung bewegt. Dabei sendet ein Sensor einen Laserstrahl aus, der zur Analyse auf seinen Halbleiter reflektiert wird. Der Sensor muss in der Lage sein, zwischen Lichtwellen zu unterscheiden, die von dem zu analysierenden Objekt reflektiert werden, und anderen Lichtquellen, wie etwa Sonnenlicht, das nur Hintergrundrauschen erzeugt. Die wichtige Aufgabe der Sensorbeschichtung besteht also darin, unerwünschte Lichtwellenlängen herauszufiltern.
«In den heutigen Premium-Autos sind neue Funktionen verfügbar, die auf optischen Technologien mit mehreren Kameras basieren, die die Fahrerin und den Fahrer beim Einparken, Erkennen von Verkehrsschildern oder Halten der Fahrspur unterstützen», erklärt Steffen Runkel, Director and Global Head of Optics bei Bühler Leybold Optics. «Künftig werden auf dem Weg zum vollautonomen Fahren noch mehr optische Technologien im Auto zum Einsatz kommen.» Die LiDAR-Sensortechnologie (Light Detection and Ranging) steht bei diesem Übergang an vorderster Front, denn sie kann einen Laserstrahl aussenden, der die ganze Umgebung abtastet und so Sicherheitsabstände berechnen kann.
Lösungen von Bühler werden auch bei der Automobilverglasung eine wichtige Rolle spielen, da die Glassubstrate immer dünner werden, um Gewicht zu reduzieren. Sonnenschutz- und emissionsarmes Glas wird die Temperatur im Innenraum effizient regulieren, während elektrochrome Beschichtungen den Innenraum für den Komfort sowie die Privatsphäre abtönen. Fortschrittliche Verglasungen werden immer wichtiger, da Elektroautos die ververfügbare Energie so effizient wie möglich nutzen müssen, um ihr volles Potenzial in Bezug auf Klimafreundlichkeit auszuschöpfen.
Die Autoindustrie ist in einem extremen Wandel. Die alten Konventionen werden infrage gestellt, und mit dem Wandel ergeben sich Chancen, Lösungen für eine Branche zu bieten, die in der Debatte um den Klimawandel weit oben steht. «Wir sehen, dass sich die Lieferkette in der Automobilindustrie verändert wegen eines Paradigmenwechsels bei den technologischen Herausforderungen», so Runkel. «Elektroautos brauchen intelligente Lösungen, um die Reichweite der Fahrzeuge zu erhöhen und ihre Zuverlässigkeit, ihre Sicherheit und ihren Komfort durch nachhaltige, energieeffiziente Lösungen zu verbessern. Das schafft neue Chancen für Bühler.»
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