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Werkzeuge für Verbrennungsmotoren, Hybrid-Fahrzeuge und E-Mobilität

Hocheffiziente Verbrennungsmotoren, Hybrid-Fahrzeuge und E-Mobilität
Werkzeuge für Verbrennungsmotoren, Hybrid-Fahrzeuge und E-Mobilität

Der Wandel zu hocheffizienten Motoren, Hybridkonzepten und E-Motoren ist in der Automobilindustrie neben der Stückzahlentwicklung einer der wesentlichen Aspekte. Die Paul Horn GmbH bietet für deren Bearbeitung optimale Werkzeugkonzepte.

Menschen, die heutzutage vor dem Autokauf stehen, müssen sich nicht nur wie früher die Frage stellen, ob es ein Diesel oder Benziner sein soll. Vielmehr haben sie eine Vielzahl an Auswahlmöglichkeiten, was das Antriebskonzept betrifft. Dabei steht in Deutschland und Europa zurzeit gesellschaftlich und politisch vor allem die Elektromobilität im Fokus.

Aber ist die Elektromobilität die Lösung der Probleme, die zum Teil Verbrennungsmotoren verursachen? Neben dem CO2-Ausstoß bei der Fertigung ergeben sich in fast allen EU-Ländern durch den jeweiligen Energiemix beim Aufladen der Akkus erhebliche CO2-Emissionen. „Da auch batteriebetriebene Elektromobilität deutliche Schwächen hat, ist dieses Antriebskonzept meiner Meinung nach nur eine Übergangslösung“, so Lothar Horn, Geschäftsführer der Paul Horn GmbH. „Länder und Unternehmen, überwiegend im asiatischen Raum, haben mittlerweile erkannt, dass Wasserstoff, die Brennstoffzelle und synthetische Kraftstoffe, die CO2-neutral zum Einsatz kommen könnten, hingegen tatsächlich das Potenzial aufweisen, eine langfristige Lösung zu sein.“

Erwarteter Werkzeugbedarf

Für die Mobilitätskonzepte der Zukunft fragt die Automobilindustrie neue Werkzeugkonzepte nach. Da rein batterieelektrische Fahrzeuge aber weniger Werkzeuge in der Fertigung benötigen, steht fest, dass hier das Bearbeitungsverhältnis deutlich sinkt. Hintergrund ist die Komponentenvielfalt. Während bisherige Antriebskonzepte rund 4.000 zu bearbeitende Bauteile hatten, beschränkt sich ein rein elektrisches Antriebskonzept auf etwa 320 Bauteile. Bei Hybridlösungen hingegen steigt die Anzahal der benötigten Bauteile mengenmäßig an.

Hybridfahrzeuge werden in den nächsten Jahren einen wachsenden Anteil an der Summe aller Personenkraftwagen ausmachen. Das Bearbeitungsvolumen wird dadurch mittelfristig entsprechend zunehmen. Es bleibt die Frage, wie sich der Komponentenwegfall durch den Elektromotor kompensieren lässt. Lothar Horn: „Es ergibt grundsätzlich Sinn, sich breiter und dadurch auch branchenunabhängiger aufzustellen. Im Bereich der Zerspanung gibt es eine Vielzahl von Branchen wie beispielsweise die Luft- und Raumfahrt, den Maschinenbau, die Chemie, die Medizintechnik sowie den Werkzeug- und Formenbau. Daher ist es auch eine strategische Entscheidung, in welche Richtung man sich entwickelt beziehungsweise entwickeln möchte. Hybride Lösungen führen zu mehr Zerspanung, rein batteriebetriebene Antriebslösungen benötigen deutlich weniger Zerspanung als bisher.“

Werkzeuglösungen auch für Elektromotoren

Oft kommen zur Effizienzsteigerung Turbolader zum Einsatz. Diese bestehen zumeist aus hochwarmfesten und schwer zu zerspanenden Werkstoffen. Auch durch die Hybridisierung ergibt sich bei den Verbrennungsmotoren eine Effizienzsteigerung. Grundsätzlich ist es sinnvoll zu prüfen, ob man durch kundenspezifische Sonderwerkzeuge Leistungssprünge im Herstellungsprozess erreicht.

Auch neue Möglichkeiten der Zerspanung wie zum Beispiel Wälzschälen kommen dabei zum Tragen. Das Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen ist seit über 100 Jahren bekannt. Breitere Anwendung findet es aber erst, seit Bearbeitungszentren und Universalmaschinen mit voll synchronisierten Spindeln und verfahrensoptimierter Software den Einsatz dieser hochkomplexen Technologie ermöglichen. Jedoch ist hierbei festzuhalten, dass dies keine reine Lösung für Elektromobilität ist, sondern eine breite Anwendung auch im Bereich Aerospace und weiteren Branchenanwendungen findet.

E-Mobilität konkurriert um Rohstoffe

Die batteriegestützte Elektromobilität mit ihren derzeitigen Lithium-Ionen-Akkumulatoren hat aber noch einen weiteren Aspekt. Die Batterien benötigen, wie beispielsweise Hartmetallwerkzeuge auch, das Element Kobalt. Das größte Wachstum bezüglich wieder aufladbarer Batterien entfällt mit Abstand auf Anwendungen in der E-Mobilität. Daneben wirken sich auch die Speicherung regenerativer Energien sowie mobile Applikationen steigernd auf die zukünftige Nachfrage aus.

Ausblick

Aktuell gehen Prognosen des VDMA auf lange Sicht von einer steigenden weltweiten Jahresproduktion an Pkw aus. Das Zerspanvolumen ist dabei antriebsabhängig. Des Weiteren zeigen die VDMA-Studien auf, dass Hybridfahrzeuge (Mild-Hybrid und Plug-in-Hybrid) in Zukunft vermutlich einen größeren Anteil einnehmen als rein batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, was zu einem erhöhten Zerspanvolumen führt. „Bis es zu einer langfristigen Lösung im Antriebsstrang kommt, bleiben dem Endkunden eine Vielzahl an Auswahlmöglichkeiten – einschließlich moderner Diesel- und Benzinmotoren“, so Lothar Horn. „Moderne Diesel- und Benzinmotoren haben auch künftig noch großes Potenzial.“

Aktuelles Zerspanungsbeispiel

In unter vier Sekunden von 0 auf 100 km/h, 160 kW Leistung und Teamgeist: Das erleben die Teilnehmer der Formula Student vom Team Raceyard der Fachhochschule Kiel. Mit ihrem eigenentwickelten und selbst gefertigten Elektrorennwagen treten sie in der Kategorie „E“ an. Für die Fertigung der Bauteile des Rennwagens berät Horn die Kieler Studenten im Bereich Werkzeuge für Dreh- und Fräsbearbeitungen.

Die Zusammenarbeit mit dem Institut für Computer Integrated Manufacturing – Technologietransfer (CIMTT) besteht schon seit mehreren Jahren. Der zuständige Außendienst unterstützt die mechanischen Werkstätten des Instituts mit Zerspanungslösungen und Werkzeugen. Über diese Schnittstelle kam auch die Anfrage des Renn-Teams Raceyard. Der Tübinger Werkzeughersteller beantwortete diese Anfrage mit einem Werkzeugsatz, der die Systeme Supermini des Typs 105, Ein- und Abstechsystem S100, Boehlerit ISO-Schneidplatten sowie DS-Alufräser beinhaltete. Dadurch konnte die Mechanikabteilung auch knifflige Zerspanungsaufgaben lösen, welche aufgrund langer Auskragungen und enger Bohrungen nur schwer zugänglich waren.

Selbst entwickelt und gefertigt

Bis auf wenige Bauteile ist der Rennwagen selbst entwickelt und gefertigt. Für die Bremssättel setzten die Kieler auf die Selective-Laser-Melting-Technologie. Mit dem additiven Fertigungsverfahren druckten sie die eigens konstruierten Bremssättel aus einer Aluminiumlegierung. Beim Ausspindeln der Zylinderlauffläche des Bremskolbens setzten die verantwortlichen Mechaniker auf das Horn-System Supermini Typ 105. Durch die dreidimensionale Form des Sattels und die engen Toleranzen des Zylinders war die Fertigung für die Mechaniker eine Herausforderung.

Das Zerspanen des Achsschenkels aus Aluminium übernahm ein dreischneidiger VHM-Schaftfräser des Systems DS mit polierten Spanräumen. Die Schwierigkeit bestand bei diesem Bauteil in der langen Auskragung des Werkzeugs. Des Weiteren wählten die Techniker aufgrund der Bauteilgeometrie ein Fräswerkzeug mit Überlänge. Durch die polierten Spanräume und aufgrund der Geometrie des Fräsers entstehen während der Bearbeitung keine Probleme mit aufklebenden Spänen und Rattermarken.

Hartmetall-Werkzeugfabrik
Paul Horn GmbH
www.phorn.de



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