E-Mobilität: Wettbewerbsvorteil durch Power Skiving

„Es ist der Wettbewerb, der Unternehmen zwingt, einen Ausweg aus der eigenen Selbstzufriedenheit zu finden“, so John Mackey, US-amerikanischer Geschäftsmann und Mitgründer von Whole Foods Market, eine Supermarktkette mit großer Auswahl an Bio-Produkten. Genau das lässt sich derzeit auch auf den globalen Märkten für Elektrofahrzeuge beobachten: Um das Fahrzeuggewicht mit dem Ziel von Energieeinsparungen zu minimieren, müssen Hersteller möglichst leichte und kompakte Getriebe aus widerstandsfähigen Materialien wie beispielsweises niedrig legierten Stählen herstellen. Wer dabei nur auf herkömmliche Fertigungsverfahren setzt, läuft Gefahr ins Hintertreffen zu geraten. Mats Wennmo, Global Automotive Transmission Manager beim Zerspanungsspezialisten Sandvik Coromant, erläutert, warum insbesondere das Power Skiving Verfahren für die erfolgreiche Fertigung und eigene Wettbewerbsfähigkeit entscheidend sein kann.

Der Absatz von Elektrofahrzeugen (Electric Vehicles, EV) hat in den letzten Jahren einen großen Sprung nach vorne gemacht. Nach Angaben von EV-Volumes wurden im Februar 2022 weltweit 541.780 neue Plug-in-Elektroautos zugelassen, doppelt so viele wie im Februar des Vorjahres. Virta berichtet, dass in Europa in den ersten sechs Monaten des Jahres 2021 1,06 Mio. neue Elektroautos zugelassen wurden, im Vorjahreszeitraum waren es lediglich 413.000. Das ist ein Anstieg von mehr als 157 %. Zugleich sind die Zulassungen in China – ebenfalls ein wichtiger Markt für Elektrofahrzeuge – um über 197 % gestiegen und in den USA liegt der Zuwachs bei über 166 %. Diese Zahlen verdeutlichen, dass die weltweiten Märkte für Elektrofahrzeuge schnell wachsen. Doch was treibt die Verkäufe? Ein wichtiger Faktor sind sicherlich die ehrgeizigen Null-Emissionsziele der Europäischen Union (EU), Asiens und der USA. Die EU hat sich verpflichtet, ihre Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 40 % unter das Niveau von 1990 zu senken. China will seine Emissionen bis 2030 auf unter 60 bis 65 % des Ausstoßes von 2005 bringen. Und die USA haben sich verpflichtet, ihre Treibhausgasemissionen derart zu reduzieren, dass sie bis 2025 um 26 bis 28 Prozentpunkte niedriger als im Jahr 2005 liegen.

Die Frage lautet, welche Rolle Elektrofahrzeuge spielen können, um diese Ziele zu erreichen? Tatsächlich sind Vergleiche zwischen den Umweltvorteilen von Elektrofahrzeugen und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nicht einfach. Laut Carbon Brief hängt dies nämlich von der Fahrzeuggröße, der Genauigkeit der genutzten Kraftstoffverbrauchsschätzungen, der Art der Stromemissionsberechnung sowie dem angenommenen Fahrverhalten ab. Und auch das Wetter in den Regionen, in denen die Fahrzeuge zum Einsatz kommen, gilt es zu berücksichtigen. Somit gibt es keine einzige Schätzung, die überall gilt oder zutrifft. Dennoch kommt der Bericht zu dem Schluss, dass Elektrofahrzeuge über ihre gesamte Lebensdauer hinweg deutlich weniger Emissionen verursachen als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Darüber hinaus gibt es einen weltweiten Trend zu effizienteren und erneuerbaren Energiequellen, was kürzlich auch die EU-Kommissionspräsidentin Ursula von der Leyen skizziert hat. Und weil sich auch die Einstellung der Verbraucher verändert – so gibt die Hälfte der in der Global Consumer Insights Pulse Survey von PWC im Dezember 2021 Befragten an, dass sie Umweltauswirkungen bei ihren Kaufentscheidungen berücksichtigen, werden sich die Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen mit großer Wahrscheinlichkeit weiter erhöhen.

Für Autohersteller und Erstausrüster (OEMs) unterstreicht das oben Genannte die Notwendigkeit, sich von herkömmlichen Verbrennungsmotoren zu verabschieden. China und Europa scheinen bei dieser Entwicklung die Führung übernehmen zu wollen. Und es ist anzunehmen, dass der Markt für Elektrofahrzeuge vielfältig und wettbewerbsintensiv sein wrid, da hier sowohl größere, etablierte Unternehmen als auch kleinere, global expandierende Hersteller aufeindandertreffen. Allerdings birgt die Produktion von Elektrofahrzeugen einige Herausforderungen und das Risiko, dass Unternehmen, die sich auf herkömmliche Fertigungsverfahren verlassen, ins Hintertreffen geraten. Um dies etwas genauer betrachten zu können, kann ein Blick auf die Fertigung von Getriebekomponenten helfen.

Die Fähigkeit, die Motordrehzahl mithilfe eines Getriebes zu steuern, ist bei allen Fahrzeugarten unerlässlich. Getriebe von Elektrofahrzeugen sind so genannte Untersetzungsgetriebe, die die Geschwindigkeit des Fahrzeugs reduzieren, damit es kontrolliert und wirtschaftlich gefahren werden kann. Weil in einem Elektrofahrzeug keine Motorgeräusche entstehen, wird jedes Geräusch des Getriebes wahrgenommen. Eine wichtige Aufgabe besteht folglich darin, Geräusche zu vermeiden. Und darüber, ob ein Getriebe kompakt und leicht ist sowie geräuschlos läuft, entscheidet auch die Qualität des Bearbeitungssetups. Getriebe in Elektrofahrzeugen sind hauptsächlich als Planetengetriebe ausgelegt, bei denen die Planetenräder und das Sonnenrad in einem kompakten und leichten Hohlrad untergebracht sind. Das Hohlrad ist mit seinen dünnen Wänden und den hohen Anforderungen an eine exakte Rundung das am schwierigsten zu fertigende Bauteil. Mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren lassen sich diese Anforderungen nur schwer erfüllen – mehr noch: Sie bringen sogar gleich mehrere Zeit- und Kostennachteile mit sich.

Herkömmliche Fertigungsverfahren beruhen in der Regel auf Einzweckmaschinen. Weil hier jede Maschine auf einen bestimmten Bearbeitungsbereich beschränkt ist, wird das Werkstück von einer zur nächsten Maschine weitergereicht. Das macht Produktionslinien unflexibel, insbesondere wenn es darum geht, auf notwendige Änderungen in der Bauteilkonstruktion zu reagieren. Darüber hinaus kann das Bewegen des Werkstücks von Maschine zu Maschine die Qualität des Bauteils durch Rundlauf- und Mittenabweichungen negativ beeinflussen. Zudem ist die nachträgliche Wärmebehandlung schwieriger zu kontrollieren und die herkömmlichen Methoden der Weichbearbeitung sowie die nachfolgenden Schleifprozesse sind sehr kostenintensiv. Hinzu kommt, dass diese Verfahren häufig eine Bearbeitung mit Kühlschmierstoffen erfordern, um sowohl die Zerspanung selbst als auch die Spanabfuhr zu unterstützen.

Die genannten Nachteile werden angesichts der zu erwartenden Steigerungsraten bei der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen immer mehr zum Hemmnis – insbesondere weil damit zu rechnen ist, dass die Entwicklung neuer Getriebe schneller sowie deren Bearbeitung produktiver und flexibler werden muss. Außerdem müssen sich Investitionen immer schneller amortisieren, weshalb der Einsatz unflexibler Einzweckmaschinen immer unvorteilhafter wird. Vor dem geschilderten Hintergrund sollten Hersteller ihre Fertigungsverfahren modernisieren. Beispielsweise können die häufig genutzten Schleifmaschinen sehr teuer sein, sodass die Investition in Multi-Task-Maschinen eine echte Alternative darstellt. Mithilfe dieser kann die Bearbeitung von Getriebekomponenten in zwei Prozesse, Weich- und Hartbearbeitung, aufgeteilt werden und mit nur einer dieser Maschinen durchgeführt werden. Mithilfe von Multi-Task-Maschinen können Bearbeitungsprozesse beseitigt, der Zeit- und Kostenbedarf reduziert und die Bauteilqualität verbessert werden. Darüber hinaus bieten sie aber noch weitere Vorteile: Denn neben der Verbesserung der Produktqualität sind die Zykluszeiten im Vergleich zu bestehenden Lösungen kürzer oder zumindest gleich lang. In der Konsequenz konnte Sandvik Coromant in der Praxis Kostenreduzierungen für Endanwender von mindestens 30 % beobachten. Weil der Power-Skiving-Prozess sowohl Verkleinerungen als auch Gewichtsreduzierungen von Getriebekomponenten erlaubt, kann eine größere Flexibilität bei der Produktion zukünftiger Komponenten für die Elektromobilität erreicht werden. Das Verfahren kann sowohl bei Innen- als auch bei Außenverzahnungen angewendet werden. Besonders produktiv ist es bei der Innenbearbeitung und in der Massenproduktion, wo kurze Durchlaufzeiten entscheidend sind.

Das bereits vor mehr als einem Jahrhundert entwickelte Power-Skiving-Konzept ist die effizienteste Methode für die Produktion eines Hohlrades, das das am schwierigsten zu fertigende Bauteil eines Planetengetriebes ist. Das Verfahren verbindet das Wälzstoßen und das Wälzfräsen in einem einzigen, kontinuierlichen Schneidprozess. Auf Multi-Task-Maschinen angewendet bietet es gleich mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden: Die Bearbeitung eines kompletten Bauteils in einer Mehrzweckmaschine steigert sowohl die Produktivität als auch die Flexibilität. Weil keine Sondermaschinen mehr erforderlich sind, kommt es nicht länger zu Qualitätseinbußen aufgrund von Maschinenwechsel. Auf diese Weise kann die Gesamtproduktionszeit im Vergleich zu Verfahren wie Räumen, Wälzstoßen und Wälzfräsen erheblich verkürzt werden – für eine überschaubarere und berechenbarere Bauteilbearbeitung. Seit 2014 wurden mehr als 700 Werkzeugmaschinen für das Power Skiving ausgeliefert, was zeigt, dass das Verfahren immer beliebter wird. Mehr als 60 % davon sind Multi-Task-Maschinen, wo die wichtigsten Bearbeitungsprozesse in einer einzigen Aufspannung stattfinden. Das verbessert die Qualität des Bauteils und ermöglicht eine effizientere Bearbeitung.

Sandvik Coromant hat hochwertige Werkzeuge für das Power Skiving entwickelt, die speziell für die Präzisionsbearbeitung von Elektrofahrzeuggetrieben optimiert sind. Dazu gehört der Coromill 178, ein Schälfräser, der in zwei Varianten zur Verfügung steht: aus pulvermetallurgischem Schnellarbeitsstahl (PM-HSS) und aus Vollhartmetall. Der Wendeschneidplattenfräser Coromill 180 ist mit prismatischen Plattensitzen ausgestattet und für eine hervorragende und wiederholbare Genauigkeit ausgelegt. Die Werkzeuge können im Hinblick auf die Steifigkeit und Auskragung des Werkzeugs, die Kühlmittelzufuhr und die maximale Standzeit weiter optimiert werden. Dank dieser vorteilhaften Kombination ermöglichen sie eine zuverlässige und vollkontinuierliche Fertigung.

Des Weiteren können Hersteller und Fertiger von Getrieben für Elektrofahrzeuge in allen Sandvik Coromant Centern ihre Komponenten mit Power Skiving auf modernen Multi-Task-Maschinen bearbeiten. Geschultes und erfahrenes Personal steht bereit, um die anstehenden Investitionen der Kunden zu unterstützen und ihnen zu einer produktiven, effizienten und flexiblen Bearbeitung von Getrieben für Elektrofahrzeuge zu verhelfen – und zwar in nur einem Setup. Ein Hersteller von Hauptgetrieben aus niedrig legiertem Stahl schte nach einer Alternative für sein zeitaufwändiges Wälzstoßverfahren. Unterstützt durch Sandvik Coromant ersetzte er seine bestehenden Prozesse durch Power Skiving und seine vier bislang eingesetzten Sondermaschinen durch zwei Multi-Task-Maschinen. Resultat war, dass er seine Bearbeitungszeit um 90 % reduzieren und die Standzeit der Werkzeuge deutlich erhöhen konnte. In anderen Fällen erwies sich Power Skiving als zwei- bis dreimal so schnell wie herkömmliche Verfahren. Power Skiving ist das am schnellsten wachsende Verfahren für die Zahnradfertigung – mit deutlichen Zeit- und Kostenvorteilen. Und Profitieure gibt es genug: Kleinere Hersteller können damit besser im Wettbewerb bestehen, und bei größeren Herstellern trägt das Verfahren dazu bei, mit John Mackey gesprochen, „einen Ausweg aus der eigenen Selbstzufriedenheit zu finden“.

ak