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Lösungen für komplexe Fertigungsprozesse in der E-Mobilität

Fertigungstechnik
Lösungen für komplexe Fertigungsprozesse in der E-Mobilität

Elektrischen Antriebssträngen gehört die automobile Zukunft. Für Fertigungsbetriebe gilt es, sich auf neue Produkte und Anforderungen einzustellen und entsprechende Prozesse zu etablieren. Die 22. Metav, Messe für Technologien der Metallbearbeitung, bietet vom 21. bis zum 24. Juni die Chance, sich in Düsseldorf mit Experten auf diesem Gebiet auszutauschen.

Komplexe Bauteile, wie sie in der E-Mobilität zum Einsatz kommen, werden zunehmend auf 5-Achs-Bearbeitungszentren (BAZ) in einer Aufspannung komplett gefräst. Für einen wirtschaftlichen Fertigungsprozess ist unter anderem das Zusammenspiel zwischen Werkzeug und Spanntechnik entscheidend. „Wir bieten für diese Aufgaben das passende Werkzeugspannfutter an“, sagt Marc Heinrich. „Es lässt sich ohne weitere Vorrichtung von Hand betätigen“, ergänzt der Sales Manager bei der Albrecht Präzision GmbH & Co. KG in Wernau.

Das spezielle Spannprinzip sorgt für eine hohe Dämpfung beim Fräsen, Vibrationen am Werkzeug werden auf ein Minimum reduziert. Und das wiederum verlängert die Standzeiten der Werkzeuge und senkt die Kosten. Das Spannsystem ist schlank gebaut. Reduzierte Störkonturen verbessern beim Bearbeiten auf modernen 5-Achs-Zentren die Zugänglichkeit zum Werkstück. Verschiedene Spannhülsen erlauben zudem unterschiedliche Kühlkonzepte – mit Innen- oder Peripheriekühlung. Das Futter deckt einen Spannbereich mit Durchmessern von 2 bis 20 mm ab und ist für verschiedene Werkstücke einsetzbar. Damit lassen sich unter anderem Komponenten wie E-Motoren- und Elektronikgehäuse, Halter für Sensorik oder das Fahrwerk bearbeiten.

Um auch filigrane Teile zu fräsen, hat Albrecht ein Spannfutter mit einem Spannbereich von 1 bis 6 mm im Portfolio. Es eignet sich etwa für die Fertigung kleiner Steuerungsgehäuse oder Sensorhalterungen, die mit einer hohen Feinheit zu bearbeiten sind. Albrecht bietet dieses Spannfutter durch die verfügbaren Spannzangen ebenfalls mit Innen- und Peripheriekühlung an. Ein wesentliches Merkmal ist der präzise Rundlauf, auch bei hohen Drehzahlen.

Prozessstabilität selbst bei engen Fertigungstoleranzen

Die Elektrifizierung der Antriebstechnik führt zu Änderungen bei den zu fertigenden Produkten und den Prozessen. Im Vergleich zum Automatikgetriebe für einen Verbrennungsmotor kommt ein Getriebe für die E-Mobilität mit deutlich weniger Gängen und damit auch mit weniger Zahnrädern aus. Der geringeren Anzahl stehen jedoch höhere Anforderungen an die geometrischen Eigenschaften, Fertigungstoleranzen und die Oberflächengüte gegenüber. Insbesondere die Getriebeakustik ist ein wesentliches Qualitätsmerkmal in der Elektromobilität.

Höchste Präzision ist wichtig

Für die Produktion der Zahnräder bedeutet das erhöhte Anforderungen an die Prozessstabilität bei zugleich engeren Toleranzen. Diesen Ansprüchen ist mit entsprechenden Maschinen- und Werkzeugkonzepten sowie neuen Prozessen zu begegnen. Dr. Jens Brimmers, Abteilungsleiter Getriebetechnik am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, sieht wesentliche Neuerungen in der Bearbeitung von Verzahnungen mit Störkonturen, insbesondere bei Stufenplaneten, Innenverzahnungen sowie der Bewertung und Vermeidung von Welligkeiten im Submikrometerbereich auf Zahnflanken.

Neue Anforderungen, die aus der Elektrifizierung des Antriebsstrangs resultieren, beeinflussen die Bauteile ebenso wie die Fertigungskonzepte. Aber für die neuen Bauteile und Komponenten müssen auch Verfahren entwickelt werden, um diese prozesssicher und wirtschaftlich herstellen zu können. Ein Beispiel dafür ist das Umformen von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Ebenso finden neue, oft schwer zu bearbeitende Werkstoffe breiteren Einsatz – etwa für Keramiklager – und zwingen so zur Anpassung bisheriger Fertigungsprozesse.

Die veränderten Herausforderungen für die Industrie bringen einigen Forschungsbedarf mit sich und zeigen gleichzeitig neue Forschungsfelder für die Wissenschaft auf. Forscher wie Prof. Thomas Bergs vom Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren am WZL und sein Team forschen in verschiedenen Anwendungsfeldern – der Bearbeitung von Bauteilen für Getriebe, E-Motor, Brennstoffzelle oder auch den Werkzeugbau – für die Elektromobilität. Dabei untersuchen sie Fertigungsprozesse gerade auch mit Blick auf die Nachhaltigkeit.

HSC-Fräsen von Bipolarplatten

Für elektrische Antriebe kann die benötigte Energie auch in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Hierbei kommen Brennstoffzellen zum Einsatz, die chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie wandeln. Kernelement sind Bipolarplatten. Sie bilden die beiden elektrischen Pole der Brennstoffzelle und beeinflussen wesentlich deren Wirkungsgrad über die Gestaltung der so genannten Flow-Fields, enge Strömungskanäle.

Die Fertigungstechnik muss nun dahingehend befähigt werden, diese Bipolarplatten – typischerweise aus dünnem Stahlblech – zu produzieren. Dies erfolgt über umformende Verfahren mit anspruchsvollen Werkzeugen. Die Formelemente dieser Umformwerkzeuge werden durch HSC-Fräsen hergestellt. Aufgrund der kleinen Radien von wenigen zehntel Millimetern und der hohen benötigen Oberflächengüte, die sehr geringe Zustellungen bedingt, ergeben sich Bearbeitungszeiten von mehreren Dutzend Stunden. Für diese anspruchsvollen Bearbeitungen eignen sich High-Speed-Cutting-Fräsmaschinen der Röders GmbH aus Soltau. Sie erreichen aufgrund des ausgefeilten Temperaturmanagements eine besonders hohe Langzeitgenauigkeit. Selbst bei Bearbeitungszeiten von mehr als 60 h tritt kein Versatz auf. Damit wird die benötigte Genauigkeit von ±3 µm prozesssicher erreicht. Zudem lässt sich eine Oberflächengüte mit Ra-Werten von unter 0,1 µm erzielen.

Aufgrund der hohen Härte der Umformwerkzeuge ist für die Fertigungskosten neben der Bearbeitungszeit auch der Verschleiß an den Zerspanwerkzeugen wesentlich. Hier wirkt sich die hohe Steifigkeit, die gute Dämpfung sowie die präzise Bahnplanung der Maschinen von Röders positiv aus.

Beladedorn fürs Imprägnieren von E-Motor-Statoren

Ein Elektromotor besteht im Inneren aus einem Rotor, der sich in einem ruhenden Stator dreht. In ihn werden so genannte Hairpins als Stromleiter eingebracht. Diese Technik ermöglicht es, Statoren mit höchsten Füllgraden herzustellen. Trotzdem bleiben noch Hohlräume. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Motors zu erreichen, müssen diese Hohlräume geschlossen werden. Dazu werden Imprägnierstoffe bei hoher Temperatur (zwischen 100 und 200 °C) und in überwiegend geschlossenen Transferstraßen aufgebracht. Für das Handling der Statoren in einer solchen Produktionsanlage hat die Röhm GmbH aus Sontheim einen speziellen Beladedorn entwickelt. Er wird über eine Automatisierungseinrichtung – meist ein Roboter – in den Stator eingeführt und spannt diesen dann von innen. Jetzt kann der auf dem Beladedorn fixierte Stator in die Transferstraße eingebracht werden. Um den Beladedorn zu greifen, befindet sich an dessen Ende eine Steilkegel- oder Hohlschaftkegel-Schnittstelle für einen Greifer, der sich pneumatisch oder hydraulisch öffnen und schließen lässt.

Dorn hält Stator während verschiedener Prozessschritte

„Der Beladedorn ist mit einer Selbsthemmung versehen, sodass der Stator nach dem Loslassen des Dorns gespannt bleibt“, erläutert Claus Faber, Head of Marketing and Product Management bei Röhm. „In der Transferstraße selbst wird der Beladedorn an seinem anderen Ende von einem Spannzangenfutter gespannt. Darin kann der Stator während des Beträufelns mit Imprägnierstoff definiert gedreht werden. Auch beim späteren Passungsschleifen ist der auf dem Beladedorn gespannte Stator über das Spannzangenfutter bearbeitbar. „Als Aussteller auf der Metav 2022 stehen wir für diese und zahlreiche weitere Themen rund um die Fertigungstechnik gerne persönlich zur Verfügung“, sagt Faber. (mw)



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