Roadmap E-mobility

Automotive manufacturers achieved a significant milestone in 2017: for the first time, they
sold over one million electric vehicles worldwide. The major players in this industry continue to make significant investments in eMobility to ensure they are well-positioned in future markets. Volkswagen, for example, plans to spend 20 billion euros over the coming years. The company will roll out around 50 different electric cars and 30 plug-in hybrids by 2025.

This feat will require a lot of tool manufacturers as well. „We‘re the ones who have to quickly
develop the right tools and tool solutions to produce the new components and materials required for eMobility,“ explains Dr. Dirk Sellmer, Vice President of Research & Development at MAPAL Dr. Kress KG.

And since less effort is needed to machine electric motors as compared to combustion engines, fewer tools will be required in the future. Hence MAPAL is establishing new fields of business alongside its Powertrain area. The familyowned company, which has 5,500 employees worldwide, will invest in tool and mold-making technologies.

Doch um hochpräzise, innovative Werkzeuge beziehungsweise Werkzeuglösungen entwickeln zu können, „brauchen wir hochpräzise Messergebnisse“, so Dr. Sellmer. Über Jahre hinweg ließ das Unternehmen deshalb seine Werkstücke und Werkzeuge bei einem externen Messdienstleister messen. Um dem Kunden schneller die maßgeschneiderten Werkzeuge zur Verfügung stellen zu können, die sich „wie Legosteine zu komplexen Lösungen kombinieren lassen“, investierte das Unternehmen 2018 in ein hochgenaues Koordinatenmessgerät (KMG) der Firma ZEISS.

Seit Anfang Januar 2018 arbeiten zwei Mitarbeiter des Werkzeugherstellers mit ZEISS PRISMO ultra. Nach knapp einem Jahr steht für Dr. Sellmer bereits fest: „Die Investition hat sich gelohnt“. Das Messgerät entspricht den hohen Präzisionsanforderungen und war sofort ausgelastet. Die beiden Mitarbeiter der Entwicklungsabteilung, die immer abwechselnd zwei Wochen am Messgerät und zwei Wochen an den Fertigungsmaschinen arbeiten, prüfen auf dem KMG die Werkzeuge, die in der Abteilung entwickelt werden.

Vor allem aber messen sie die Werkstücke, die im Entwicklungsbereich mit den MAPAL Werkzeugen bearbeitet werden. So lässt sich erkennen, wie präzise und stabil die Werkzeuge unter Fertigungsbedingungen sind. Um Präzision dreht sich überhaupt sehr viel bei dem in Aalen sitzenden Unternehmen. Denn die meisten MAPAL Werkzeuge bzw. Werkzeuglösungen werden dann eingesetzt, wenn Bauteile hochgenau zerspant werden müssen.

Ein aktuelles Beispiel, wie MAPAL die Anforderungen seiner Kunden meistert, ist das Statorgehäuse eines Elektromotors. Die Herausforderung bei diesem Gussteil besteht darin, die Hauptbohrung mit einem großen Durchmesser über die gesamte Tiefe des Bauteils hinweg auf wenige Mikrometer genau zu bearbeiten. Bei der Rechtwinkligkeit liegt die Toleranz beispielsweise bei 30 Mikrometern, das sind 0,03 Millimeter, und bei der Koaxialität bei 50 Mikrometern.

Für große Bohrungen sind dies ausgesprochen enge Toleranzvorgaben. Warum die Anforderungen so hoch sind, erklärt sich aus dem Aufbau des Elektromotors, etwa eines permanenterregten Synchronmotors, der im Bereich NEV (New Energy Vehicle) im Moment noch deutlich häufiger als andere Motorenkonzepte anzutreffen ist: Der unbewegliche Teil des Elektromotors wird als Stator bezeichnet. Der Stator enthält dabei Wicklungen oder alternativ gesteckte Kupferdrähte, sogenannte Hairpins. Diese erzeugen durch Speisung mit Drehstrom ein rotierendes Magnetfeld. Innerhalb des Stators befindet sich der sogenannte Rotor. Dieser folgt aufgrund seines permanenterregten Magnetfeldes dem Magnetfeld des Stators. Die Drehzahl des Rotors ist dabei proportional zur Drehzahl des magnetischen Feldes (deshalb synchron).

Aufgrund der Drehbewegung des Rotors muss es einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator geben. Da dieser jedoch einen relativ großen magnetischen Widerstand darstellt, durch den die magnetische Flussdichte verringert wird – was den Wirkungsgrad des Motors senkt –, wählen Kon­strukteure diesen Spalt so schmal wie möglich. Damit die Fertigung der Konstruktion keinen Strich durch die Rechnung macht, bietet MAPAL seinen Kunden ein hochpräzise arbeitendes und dabei für seine Größe sehr leichtes Werkzeug.

Zunächst wird der Zylinder des Statorgehäuses aufgebohrt. Das heißt, dass ein ca. 30 Zentimeter langes Werkzeug zunächst die äußere Gussschicht in der Bohrung des Gehäuses abträgt. Anschließend wird die Oberfläche feingerieben. Seit ungefähr 1,5 Jahren bietet MAPAL Werkzeuge für die hochpräzise Bearbeitung der Hauptbohrungen von Statorgehäusen an. Und da nicht jedes Gehäuse gleich ist, werden diese Werkzeuge für jeden Kunden maßgeschneidert.

Dafür stellen die Automobilbauer MAPAL in der Regel zehn bis 30 Gehäuse zur Verfügung, die im Versuchsbereich mit den entsprechenden Werkzeugen bearbeitet werden. Die Messungen nach den Bearbeitungsdurchgängen bilden für die Techniker die Grundlage, um die hochkomplexen Werkzeuglösungen entsprechend der Kundenvorgaben zu optimieren.

Vor der Anschaffung eines eigenen Koordinatenmessgerätes ließ MAPAL die Werkstücke und Werkzeuge bei einem externen Messdienstleister messen. Innerhalb von zehn Jahren erhöhte sich jedoch der Messaufwand deutlich. Denn zunehmend fährt MAPAL auch die Werkzeuge für seine Kunden ein bzw. übernimmt die Vorserienproduktion. Um dies für die Auftraggeber transparent zu machen, werden viele Messungen durchgeführt.  

Mit dem zunehmenden Messaufwand erhöhten sich auch die Ausgaben. „Im Vergleich zu 2007 gaben wir 2017 mehr als das Doppelte für die externe Messdienstleistung aus“, so Dr. Sellmer. Die Kosten waren jedoch nicht der ausschlaggebende Punkt für die Entscheidung, in ein KMG zu investieren.  

„Keiner muss heute, so wie früher üblich, zwei bis drei Tage auf seine Messergebnisse warten.“ Heute liegen die Messergebnisse in der Regel innerhalb einer Stunde vor.

Und nicht nur das. Da bei MAPAL Mitarbeiter messen, die sich zum Messtechniker weiterqualifiziert haben, gibt es auch weniger Messartefakte. „Denn da unsere Mitarbeiter auch an der Fertigungsmaschine stehen, wissen sie intuitiver, wo beispielsweise Verschmutzungen das Messergebnis beeinflusst haben könnten“, so Sellmer.  

Zudem werden die Bauteile jetzt aufgespannt in der Bearbeitungsvorrichtung vor Ort gemessen. Dies reduziert ebenfalls mögliche Messartefakte, die durch das Ab- beziehungsweise das erneute Aufspannen der Werkstücke verursacht werden. Auch das spontane Messen zwischendurch, um beispielsweise bei relativ dünnwandigen Teilen wie dem Statorgehäuse zu ermitteln, welchen Einfluss das Spannen auf das Bearbeitungsergebnis hat, ist für MAPAL ein großer Vorteil.

Und noch einen Punkt hebt er positiv hervor: Die Kommunikation zwischen den Ingenieuren und den Technikern hat sich verbessert. Sie diskutieren jetzt an der Messmaschine die Ergebnisse, anstatt sich Messprotokolle nur hinzulegen. Das trägt stark zum Wissenstransfer bei. „Wir kommen jetzt deutlich schneller ans Ziel“, ist sich Dr. Sellmer sicher.

In order to utilize the potential of their new, high-precision bridge-type CMM, the tool manufacturer first had to construct a Class 1 measuring lab. This investment cost about as much as the measuring machine itself, which is why MAPAL put its trust in ZEISS‘ recommendations on building the measuring lab, including which contractors to hire.

„The end result is quite impressive,“ says Dr. Sellmer. Around 20 square meters in size, the newly constructed measuring lab offers a high level of reliability thanks to special climate control and its own ventilation system: „All this makes it the right space for our measuring jobs.“

Sellmer never considered purchasing the system from any company other than ZEISS. First,
because MAPAL has been working with ZEISS machines for years. He describes the systems‘ ease-of-use, quality and the level of service as „extremely impressive.“

And the second reason? „A lot of our customers use ZEISS systems,“ says Sellmer. Working with ZEISS generates trust and even simplifies customer communication. „This way, we can address problems together and find solutions more quickly.“