E-Auto-Fertigung aus der Vogelperspektive

Für die Fertigung von E-Auto-Komponenten müssen Schleifprozesse schnell und hochpräzise sein. (Bild: Adobe Stock, Gorodenkoff)

„Sie ist alternativlos“, meint Sebastian Barth, Abteilungsleiter für Technologieplanung und Schleiftechnik am Aachener Werkzeugmaschinenlabor (WZL), und begründet es auch: „Die Schleiftechnologie bestimmt in vielen Prozessketten oft die abschließenden Funktionseigenschaften der Bauteile maßgeblich oder gar vollständig.“ Das betrifft in besonderem Maß die Fahrzeugindustrie, in der Antriebskomponenten im wahrsten Sinn oft den letzten Schliff erhalten.

Für Barth spielt nicht nur die Optimierung dieses wichtigen Fertigungsprozesses, sondern auch seine komplette Digitalisierung eine große Rolle. Das WZL baute daher eine komplett digital vernetzte Produktion inklusive Cloud-Anbindung auf, in der 100 Motorwellen für ein Elektroauto entstanden. Barth: „Wir gewannen dank digitalem Zwilling Informationen darüber, wie sich jeder einzelne Prozess auf die Qualität des Bauteils auswirkt und an welchen Stellen ungewollte Effekte auftraten.“

34 Milliarden Daten im Visier

In dem Projekt erfassten und analysierten die Aachener 34 Milliarden Prozess-, Qualitäts- und Metadaten. Der Aufwand scheint sich laut Barth zu lohnen: „Wenn man diese Daten einmal verortbar an einer Stelle liegen hat, lässt sich aus ihnen sehr viel Information herausziehen.“ So ermöglichte der Versuchsaufbau, individuell für jedes Bauteils den Energieverbrauch, die Kosten des Herstellungsprozesses und die Ökobilanz zu erstellen.  

Durch Variieren der 15 verschiedenen Prozessparameter gelang es dem WZL sogar, bisher vermutete Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Fertigungsschritten exakt zu bestimmen. So beeinflusste zum Beispiel eine Veränderung des vorgelagerten Drehprozess den kompletten Schleifprozess bis hin zum Einsatz von Kühlschmierstoffen erheblich. 18,2 Prozent CO2-Emissionen ließen sich so einsparen – bei einem Energieverbrauch von 1.000 Kilowattstunden. Außerdem verkürzte sich der Schleifprozess: Er kam mit weniger Energie und Kühlschmierstoff aus.  

Der Experte warnt jedoch davor, das Verkürzen der Schleifzeit als Allheilmittel anzusehen: Meist gelingt nämlich dies nur durch Erhöhen der Drehzahl. Das steigert den Werkzeugverschleiß und führt zu einem höheren Bedarf an Werkzeugen, sodass der Energieverbrauch bei deren Produktion zunimmt. Im Idealfall müssten also auch noch die Daten des Werkzeugherstellers sauber digital mitbilanziert werden.

Barth: „Künftig müssen wir ganze Prozessketten daten- und erfahrungsbasiert erfassen und ganzheitlich optimieren.“ Die Botschaft kam in der Branche an. Industrielle Anwender – so seine Beobachtung – planen sogar schon den KI-Einsatz, um das Ergebnis eines Prozesses vorherzusagen und somit Qualitätsschwankungen zu reduzieren.

Hohe Drehzahl erfordert neue Schleifprozesse

Innovation ist gefragt, wenn Hersteller Neuland betreten. Das betrifft besonders den Trend zur Elektromobilität, die neue Herausforderungen an die Schleiftechnik stellt. „Es rücken plötzlich wenig beachtete Phänomene in den Fokus“, erklärt Schleiftechnologe Barth. So steigt die bisher bei Verbrennern übliche Drehzahl (rund 2.500 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute) bei Elektroantrieben um den Faktor fünf bis 20. Im schlimmsten Fall führen nicht optimal geschliffene Zahnräder zu Ölleckagen, Auslaufen des Schmierstoffs und zum Motorschaden. Daher entwickelt Jannick Röttger aus seinem WZL-Team neue Schleifprozesse für hochdrehende Elektromotoren.

Derweil forscht etwa das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT, ein Nachbar des WZL, intensiv in Sachen Laserpolieren. Barth: „Der Laser kann hier noch nicht mit der Schleiftechnologie mithalten. Das Laserpolieren ist eine technologische, aber keine industrielle Alternative.“ Vielleicht fehlt in diesem Statement das Wörtchen „noch“.

Portraitbild von Sebastian Barth, Werkzeugmaschinenlabor WZL
„Künftig müssen wir ganze Prozessketten daten- und erfahrungsbasiert erfassen und ganzheitlich optimieren“, unterstreicht Sebastian Barth, Abteilungsleiter für Technologieplanung und Schleiftechnik am Aachener Werkzeugmaschinenlabor (WZL). (Bild: WZL)

Bereits seit 2014 treffen sich nämlich in Aachen internationale Experten auf der Conference on Laser Polishing LaP. Im Jahr 2020 ging es dort auch um eine Domäne des Schleifens: das Polieren von Edelstahl. Um die Oberflächenqualität dieses vor allem bei Werkzeugherstellern beliebten Werkstoffs zu verbessern, hatten die University of Wisconsin-Madison und das Bremer Institut für angewandte Strahltechnik BIAS das trochoidale Laserpolieren entwickelt, bei dem die Überlagerung von Spiral- und Kreisbewegungen den Strahl quasi taumeln lässt.

Ein 30 Watt-Faserlaser polierte im Versuchsfeld mit einem 150 Mikrometer hauchdünnen Strahl den Edelstahl mit einem Vorschub von 30 Millimetern in der Sekunde. Das deutsch-amerikanische Team untersuchte, wie drei verschieden taumelnden Strahlen sich auf das Ergebnis auswirken. Alle drei Taumelarten senkten die Rauheit um mehr als 60 Prozent und verbesserten so die Qualität der Oberfläche. Es traten dabei allerdings noch Prozessartefakte zum Beispiel in Form von Oberflächenwelligkeit auf.

Ausbruchfreie Schneidkante dank Laser

Noch findet Laserpolieren daher nur im Labor statt. In der industriellen Praxis kommt der Laser jedoch schon beim Bearbeiten von Diamantschleifwerkzeugen zum Einsatz. „Kanten lassen sich mit dem Lasertec 20 Precisionstool Laser nicht nur sehr exakt, sondern nun auch sehr schnell bearbeiten“, sagt Markus Bäumler, Sales Director Lasertec von DMG-Mori, Leonberg. „Es entsteht dank Laser eine ausbruchfreie Schneidkante. Wir konnten nicht nur die Qualität erhöhen, sondern auch die Stückkosten senken, in dem wir das Bearbeitungstempo in den letzten Jahren um den Faktor drei erhöhten.“ Bewährt hat sich die Technik übrigens vor allem bei der Produktion von PKD-Werkzeugen für die Automobilindustrie.

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