Roadmap E-Mobilität

2017 fiel die magische Marke: Erstmals verkauften die Autobauer weltweit über eine Million Elektrofahrzeuge. Um sich in dem Zukunftsmarkt gut zu positionieren, werden die großen Automobilhersteller deshalb weiterhin massiv in die Elektromobilität investieren. Volkswagen beispielsweise will dafür über die nächsten Jahre hinweg 20 Milliarden Euro in die Hand nehmen. Rund 50 Modelle reiner E-Autos und 30 Plugin-Hybridmodelle will der Konzern bis 2025 auf den Markt bringen.

Eine Kraftanstrengung, die auch von den Werkzeugherstellern viel abverlangt. Denn sie müssen für die mit der E-Mobilität verbundenen neuen Bauteile und neuen Materialien schnell die passenden Werkzeuge beziehungsweise Werkzeuglösungen entwickeln, erklärt Dr. Dirk Sellmer, Vice President Research & Development der MAPAL Dr. Kress KG.  

Und weil der Zerspanungsaufwand bei Elektromotoren geringer als bei Verbrennungsmotoren ist, werden für diese Technik in Zukunft weniger Werkzeuge benötigt, sodass MAPAL neben dem Powertrain neue Geschäftsfelder aufbaut. Das Familienunternehmen, das weltweit über 5.500 Mitarbeiter beschäftigt, intensiviert unter anderem sein Engagement im Werkzeug- und Formenbau.

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.

These are extremely narrow tolerances for such large boreholes. Yet a closer look at the design of the electric motor illustrates why these stringent requirements are necessary. Take, for example, the permanent magnet synchronous motor, the most frequently used motor design in New Energy Vehicles (NEV). The stator is the stationary component within the motor. Coils or copper wires known as hairpins are attached. These generate a current that creates a rotating magnetic field. The rotor is located within the stator and, thanks to its own constant magnetic field, follows the magnetic field of the stator. The three-phase current of the rotor causes it to rotate in synch with the magnetic field.

The rotor cannot actually move unless there is a gap between it and the stator. However, the
rotor is subject to considerable magnetic resistance, which in turn reduces the magnetic flux
density and with it the power of the motor. Thus designers make this gap as narrow as possible. To ensure that the manufacturing process does not compromise the component‘s design, MAPAL offers its customers a high-precision tool which is also very light for its size.

First, a borehole is made in the cylinder for the stator housing. This means that a tool approximately 30 centimeters in length creates a hole in the outer die-cast layer of the housing. Then the surface is carefully ground down. Tools for the highly precise machining of primary boreholes for stator housings have been part of MAPAL‘s product portfolio for one-and-a-half years. And since not all housings are identical, these tools are customized for each customer.

Automotive manufacturers generally provide ten to 30 housings that MAPAL must then machine with the corresponding tools in its testing area. The measurements performed after multiple rounds of machining serve as the basis for optimizing the highly complex tool solutions in line with the customer‘s needs.

Before purchasing their own coordinate measuring machine, MAPAL had an external service provider measure its workpieces and tools. However, the company‘s measuring expenses rose significantly within the span of just 10 years. MAPAL increasingly manufactures the tools for its customers and takes on pre-series production. Numerous measurements are performed to ensure that the customer has all the information they require.

The need for more measurements also increased outlay. „Compared to 2007, we spent twice as much on external measuring services in 2017,“ says Sellmer. Yet as the company considered whether or not to invest in a CMM, it was not the costs that ultimately tilted the balance, but time.

„We used to have to wait two to three days for measuring results. This is no longer the case,“
explains Sellmer. Now, these are generally available within an hour.

And that is not all. Since the employees performing measurements at MAPAL have also
received metrology training, there are fewer artifacts. „Since our team also works with the
machines used in production, they have a highly developed intuition and know, for example,
where contaminants might have impacted the measurement result,“ says Sellmer.

Moreover, the components are now clamped in the machining fixtures for measurements and
measured on the company‘s premises. This reduces potential artifacts caused by removing
the workpieces from the fixtures or reclamping them. Another significant benefit for MAPAL is
the ability to intermittently perform unplanned measurements, such as with thin-walled components like a stator housing. This way, the company can see how fixturing impacts machining. Dr. Sellmer highlights yet another key advantage: the improved communication between engineers and technicians. They can now discuss the results at the measuring machine, rather than relying solely on measurement reports. This promotes knowledge sharing. „We now achieve our goals significantly faster,“ says Dr. Sellmer.

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.“