Branche unter Strom – E-Mobilität als Ticket Richtung CO2-Neutralität

Ihr Siegeszug ist nicht mehr aufzuhalten: Immer mehr Fahrzeuge mit Elektroantrieb kommen weltweit auf den Markt, als wichtiger Baustein, um die Klimaziele von Paris zu erreichen, zu denen sich 195 Länder verpflichtet haben. Denn mit vereinten Kräften muss die Mobilität bis spätestens 2050 klimaneutral werden. Dafür hat die Automobilindustrie die größte Umstrukturierung ihrer Geschichte in Angriff nehmen müssen – weg vom Verbrennungsmotor hin zu Alternativen wie Plug-in-Hybrid-Antrieben (PHEV) bzw. rein batterieelektrischem E-Antrieb (BEV).

Dabei ist das Elektroauto keine Erfindung des 20. geschweige denn des 21. Jahrhunderts: Die Geschichte des Elektroautos begann bereits irgendwann zwischen 1832 und 1839. Zu der Zeit entwickelte der schottische Erfinder Robert Anderson in Aberdeen das erste Elektrofahrzeug. In Coburg entstand 1888 der Flocken Elektrowagen, eine vierrädrige Elektrokutsche, die wahrscheinlich als weltweit erster elektrisch angetriebener Personenkraftwagen in die Geschichte eingeht. In der Frühzeit der Kraftfahrzeuge – nach den Dampfkraftwagen, doch vor den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor – waren die Elektrofahrzeuge den Konkurrenten in mehrfacher Hinsicht technisch überlegen. Und dennoch verschwanden ab etwa 1910 mit der rasanten Entwicklung des Verbrennungsmotors die Elektroautos weitgehend aus dem Straßenbild und verblieben ein knappes Jahrhundert in der Nische.

Es dauerte bis in die 1990er Jahre, ehe wieder verstärkt an neuen Akkutechnologien und Elektroantrieben geforscht wurde. Die Gründe lagen auf der Hand: Wachsende Luftverschmutzung in den Ballungszentren, Versorgungsprobleme mit Erdöl sowie die Notwendigkeit, den Klimawandel einzudämmen. Und so war 1997 der Toyota Prius das erste Großserienmodell mit Hybridantrieb und damit ein erfolgreicher Pionier für weitere Entwicklungen.

Mit dem Markteintritt des amerikanischen Herstellers Tesla nahm der Trend richtig Fahrt auf: In den 2000ern kamen auch die etablierten Hersteller auf den Geschmack des Elektroautos und begannen mit Kleinserien, Prototypen bis hin zu weit verfügbaren Modellen den Markt neu zu sortieren. Die Vielfalt wuchs, und damit auch der Bedarf an großserientauglichen Produktionsverfahren inklusive der benötigten Werkzeuge und Werkstoffe. CERATIZIT als trendbewusster Marktbeobachter und enger Partner der Schlüsselindustrien konnte schon zu dieser Zeit ausgereifte Lösungen bereitstellen.

Und so hat dank der intensiven Entwicklungsarbeit in der Automobilindustrie der Anteil an rein elektrischen sowie Hybrid-Modellen deutlich zugenommen. Letzterer hat leicht um ein Prozent zugenommen, 69 Prozent der Modelle auf dem Weltmarkt entfallen auf rein elektrisch angetriebene BEV – mit steigender Tendenz. So wurden im ersten Halbjahr 2021 2,65 Millionen neue BEV und PHEV weltweit verkauft, womit der Marktanteil an den Gesamtverkaufszahlen aller Pkw von drei auf 6,3 Prozent stieg. Übrigens: In Europa haben E-Autos bereits einen Anteil von 14 Prozent. Experten rechnen für 2021 mit einem Volumen von 6,4 Millionen BEV/PHEV weltweit, was den Bestand auf insgesamt rund 16,4 Millionen elektrisch angetriebenen Pkw und leichten Nutzfahrzeugen erhöhen würde. 

Gleichzeitig steigt auch die Vielfalt an Fahrzeugen mit elektrischem oder teilelektrischem Antrieb. So gibt es mittlerweile rund 100 Modelle in Großserienfertigung, 265 Personenkraftwagen wurden im Zeitraum von etwa 2018/2019 in Mittel- und Kleinserien produziert und sind auf einigen Märkten der Welt eingeführt. Daneben gibt es noch knapp 80 Fahrzeugmodelle, die speziell für den Stadtverkehr optimiert wurden und es auf eine Höchstgeschwindigkeit von 60 km/h bringen.

Ein Elektromotor nutzt zur Fortbewegung die Anziehungs- und Abstoßungskräfte von Magnetfeldern. Daher besteht der Motor beispielsweise eines E-Autos aus dem Stator, einem feststehenden Ständer, und einem Rotor, der sich darin dreht. Das Magnetfeld in beiden Teilen wird von stromdurchflossenen Spulen erzeugt, wobei sich mit der Stromrichtung auch die Ausrichtung der sich abwechselnd voneinander abstoßenden und anziehenden Magnetfelder ändert. Wie sich dadurch ein Auto fortbewegt? Indem sich die Spulen während eines Rotorumlaufs mehrfach umpolen, wird der Rotor kontinuierlich gedreht. Beim E-Auto wird diese rotierende Bewegung für den Antrieb der Räder eingesetzt, und schon bewegt es sich, und zwar elektrisch.

Und wo bei herkömmlichen Fahrzeugen ein teils extrem komplexes Getriebe für die richtige Dosierung des Drehmoments vonnöten war, ist es beim elektrisch betriebenen Pkw hinfällig. Denn Elektromotoren decken einen viel breiteren Drehzahlbereich ab und machen das maximale Drehmoment schon aus dem Stand heraus nutzbar. Ebenso „von gestern“: die Kupplung. Stattdessen wird in der Regel ein effizientes Untersetzungsgetriebe eingebaut, das mit nur einem einzigen Gang und fester Übersetzung auskommt. Rückwärtsfahren geht dann nicht mehr? Selbstverständlich, nur ist dafür kein separater Rückwärtsgang mehr erforderlich.

• Kundenspezifische Empfehlung der optimal geeigneten Hartmetall-Sorte sorgt für Standzeitoptimierung, Steigerung der Produktivität, Prozessoptimierung
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Auch wenn der Anteil der zu zerspanenden Bauteile bei Hybrid- oder Vollelektroautos geringer ist als bei herkömmlichen Pkw, heißt das nicht, dass die übriggebliebenen Zerspanprozesse automatisch leichter zu bewältigen sind. Besonders interessant für Zerspaner ist das Elektromotorgehäuse aus Aluminiumlegierungen verschiedenster Zusammensetzung. Auch dort rücken die Stückkosten zunehmend in den Fokus und vor allem die Statorbohrung als kostenintensivster Teil stellt hohe Ansprüche an Werkzeug und Schneide. Bei Bohrungsdurchmessern von 200 mm und mehr spielt die Gewichtsreduzierung der Werkzeuge eine essenzielle Rolle, um das Kipp- und Drehmoment der verwendeten Bearbeitungszentren nicht bis ans Limit auszureizen. 

Innovative Lösungen machen auch beim E-Motor-Gehäuse den entscheidenden Unterschied: So ist der PKD-Planfräser MaxiMill SEC12 das ideale Werkzeug für die Automobilindustrie zur Bearbeitung von Bauteilen aus Aluminium bzw. NE-Metallen, deren Innenräumen absolut spanfrei sein müssen. Durch die spezielle Konstruktion der Plattensitze und Schneidplattentopologie, unterstützt durch den Kühlmitteldruck, entsteht bei hohen Drehzahlen ein Sog, der die Späne zu nahezu 100 Prozent vom Werkstück abführt.

Damit sie lange durchhalten und sicher gelagert sind, werden die Akkus von Elektro- und Hybridfahrzeugen meist in dünnwandigen Batteriewannen aus hochfesten Aluminiumlegierungen untergebracht – da sie aufgrund der Materialwahl kaum „ins Gewicht fallen“. Um preislich im Rahmen zu bleiben, zählen bei der enormen Menge an Bohrungen und Gewinden vorrangig langlebige und innovative Werkzeugsysteme. Beispielsweise solche, mehrere Zerspanoperationen in einem durchführen können. Bei den langen Auflageflächen für den Batteriewannendeckel darf zugunsten der Effizienz auch gerne das Tempo erhöht werden – HSC- und HPC-erprobte Fräswerkzeuge setzen dabei neue Geschwindigkeitsmarken.

Wer sagt eigentlich, dass Rennsport immer auch gleichzusetzen ist mit großvolumigen Verbrennermotoren und ohrenbetäubendem Lärm für beste Rundenzeiten? Dass es anders geht, beweist unter anderem die Formula Student, einer Renn-Liga speziell für Studenten und einer Kategorie für rein elektrisch betriebene Rennwagen. Eine sehr erfolgreiche Mannschaft ist das GreenTeam der Uni Stuttgart, das für die Saison 2021 ihr Fahrzeug E0711-11 EVO an den Start brachte.

Eine Analyse ergab, dass die geforderten Toleranzen mit einer Standardlösung nicht zu erreichen sein würden. Deshalb entwickelte das Team eine maßgeschneiderte Lösung: einen additiv gefertigten Aufsatz mit zwei Aufnahmen für Wendeschneidplatten und einem Schwingungsdämpfer, der auf eine U-Achse montiert wird. „Bei über 120 mm Bauteildurchmesser und der Bearbeitung auf einer 5-Achs-maschine mit HSK63-Schnittstelle führte kein Weg daran vorbei, die Last auf der Spindel zu reduzieren“, so Haudeck. Das leichte, FEM-optimierte Design nimmt die bei der Zerspanung auftretenden Kräfte optimal auf und ermöglicht eine Bearbeitung in einer Aufspannung. Ob sich dieser Aufwand gelohnt hat? Auf jeden Fall, gewann das Team in der abgelaufenen Saison zwei von vier Rennen und wurde einmal zweiter – nicht zuletzt dank der Unterstützung von CERATIZIT.

Nachhaltigkeit ist fest in der DNA von CERATIZIT verankert. Schon alleine deswegen sind wir ganz vorne dabei, wenn es darum geht, ressourcenschonende Technologien zu fördern und langfristig zu etablieren. Daher finden wir: Wer auch in Zukunft mit gutem Gewissen mobil bleiben möchte, kann sich der E-Mobilität nicht verwehren. Was Reichweiten bei rein elektrisch fahrenden Pkw oder die flächendeckende Verbreitung der Ladeinfrastruktur angeht, steht die Entwicklung nicht still. Um dort die nötigen Impulse setzen zu können, forschen wir bei CERATIZIT selbst bzw. arbeiten mit Technologie-Partnern und Kunden gemeinsam beständig an neuen Konzepten für eine CO2-neutrale mobile Zukunft. Dazu gilt es, neue und nachhaltige Wege zu wettbewerbsfähigen Lösungen aufzuzeigen, neueste Technologien zu entwickeln und zu implementieren sowie bahnbrechende Trends effektiv voranzutreiben. Das umfasst auch digitale Dienstleistungen wie beispielsweise ToolScope, dem effektiven Überwachungstool von CERATIZIT für eine prozesssichere Zerspanung. So schaffen wir es mit vereinten Kräften, die gesteckten Klimaziele zu erreichen und somit auch den folgenden Generationen unseren Planeten zu erhalten.