Herstellung von Autoteilen im Jahr 2035

Leichte Fahrzeuge werden bis 2035 so anders sein, dass Experten nicht einmal sicher sind, ob wir sie noch „Autos“ nennen werden. Vielleicht „persönliche Mobilitätsgeräte“, schlägt Carla Bailo vor, Präsidentin und CEO des Center for Automotive Research (CAR), Ann Arbor, Michigan. Wichtiger werden die radikalen Veränderungen bei der Herstellung von Automobilteilen sein.

Beginnen wir mit einer Vorhersage, der scheinbar jeder Brancheninsider zustimmt, auch wenn sie eine massive Veränderung der Art der für den Bau eines Fahrzeugs benötigten Teile erfordert: Bis 2035 werden mindestens die Hälfte der in den USA hergestellten Autos vollelektrisch sein. Und Bailo sagte, das sei eine realistische Schätzung, die manche für pessimistisch halten würden. Der Anteil in China und Europa werde weit über 50 Prozent liegen, fügte sie hinzu.

Warum? Regierungen auf der ganzen Welt fordern den Wandel. Und Autohersteller investieren so viel in die Technologie, dass Experten wie Bailo sagten, es sei sehr wahrscheinlich, dass Batterien die erforderliche Energiedichte erreichen werden, um selbst reichweitenängstliche Amerikaner lange vor 2035 zufrieden zu stellen.

Tom Kelly, Geschäftsführer und CEO von Automation Alley in Troy, Michigan, glaubt, dass die meisten Verbraucher bis 2035 zu dem Schluss kommen werden, dass Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE) eine schlechte Wahl sind. „Sie werden denken: ‚Ich fühle mich schlecht.‘“ Meine Nachbarn werden mich beschämen. Es ist teurer. Und es hat weniger Funktionalität.' Nach einer Phase langsamen Wachstums werden Elektrofahrzeuge also durchstarten, weil man einen Wendepunkt erreicht hat, an dem es einem tatsächlich peinlich ist, einen Verbrennungsmotor zu fahren.“ Automation Alley ist ein gemeinnütziges Industrie 4.0-Wissenszentrum und ein Advanced Manufacturing Hub (AMHUB) des Weltwirtschaftsforums.

Wie oben erwähnt, gehen die meisten Experten davon aus, dass kleinere Elektrofahrzeuge eher mit Batterien als mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden. Die letztgenannte Technologie ist jedoch für größere Fahrzeuge vielversprechender. Bailo erklärte, dass der Aufbau einer groß angelegten Wasserstoff-Infrastruktur schwieriger und teurer sei als der Aufbau von Elektroladestationen. Umgekehrt, so betonte sie, unterscheiden sich schwere Nutzfahrzeuge grundlegend von leichten Fahrzeugen dadurch, dass man sie zum Laden nicht für längere Zeit anhalten wolle. „Ich weiß einfach nicht, wie sich die Wirtschaftlichkeit eines batterieelektrischen Sattelschleppers jemals entwickeln wird. Aber eine Brennstoffzelle könnte wirklich von Vorteil sein.“ Brent Marsh, Automotive Business Development Manager bei Sandvik Coromant in Mebane, North Carolina, nannte als weiteres Beispiel Erdbewegungsmaschinen. „Diese Maschinen erfordern eine hohe Leistungsdichte. Vielleicht steigen sie auf Wasserstoff um.“

Natürlich werden wir viel weniger Verbrennungsmotoren und viel mehr – ganz zu schweigen von viel einfacheren – Elektromotoren und Batteriegehäusen bauen. Darüber hinaus beginnt es etwas düster zu werden.

Marsh sagte zum Beispiel, dass die Ausrüstung „in der Schwebe“ sei. Es werden so viele verschiedene Antriebsmechanismen in Betracht gezogen. Sie können einen Motor vorne am Fahrzeug haben oder einen Motor hinten, der Vorder- und Rückseite separat antreibt. Sie können einen Elektromotor haben, der alle Räder antreibt, wie wir es heute tun, oder einen Motor an jedem Rad. Das könnte ein Motorgenerator an jedem Rad sein. Es können Planetengetriebe vorhanden sein. …Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, das Kraftübertragungs- und Elektromotorpaket zu entwickeln, und es wird einige Zeit dauern, bis der Markt herausgefunden hat, wie dies am besten umgesetzt werden kann.“

Marsh fügte hinzu, dass Sandvik Coromant aufgrund der sehr kurzen Produktlebenszyklen in diesem Umfeld neue Chancen sieht. „Jemand wird etwas aufrüsten, es ein paar Jahre lang herstellen und dann einen anderen Weg einschlagen. Wir stellen uns eine Menge Werkzeug- und Umrüstarbeiten sowie Werkzeug- und Umrüstarbeiten vor, immer und immer wieder.“

Der Leichtbau im Automobilbereich ist seit Jahren eine Obsession und wird in gewissen Grenzen auch weiterhin bestehen bleiben. Bailo sagte, die Forschung zeige anhaltende Fortschritte in der Metallurgie, wobei die Stahlindustrie dank ultrahochfestem Stahl eine große Herausforderung für Aluminium darstelle. „Beide Branchen haben begonnen, ein hervorragendes Produkt bereitzustellen, das eine erhebliche Gewichtsreduzierung ermöglicht.“ Sie rechnet jedoch nicht damit, dass Kohlefaserverbundwerkstoffe bis 2035 in großen Mengen hergestellt werden, da die Herstellungskosten siebenmal höher sind.

Marsh sagte, dass alles, was mit der Kraftübertragung zu tun hat und aus Stahl hergestellt werden muss, einschließlich „Zahnräder, Wellen und sogar Lager“, auf ultrareine Stähle mit einem extrem niedrigen Schwefelgehalt umsteigt. Manche nennen sie „IQ“ oder isotropen Qualitätsstahl. Durch die Schwefelreduzierung wird die Dauerfestigkeit des Stahls deutlich erhöht. So können Sie eine kleinere Welle, ein kleineres Lager und ein kleineres Getriebe herstellen, das die gleiche Leistungsdichte bewältigen kann. Dadurch reduzieren sich Gewicht und Größe der Bauteile, die Bearbeitung ist jedoch schwieriger.“

Sandvik Coromant arbeitet mit Stahlherstellern zusammen, um geeignete Werkzeugmaterialien, Geometrien und Beschichtungen zu entwickeln, fügte Marsh hinzu. Und die Spankontrolle ist ein größeres Problem als sonst. „Es müssen relativ scharfe Werkzeuge sein, wie man sie zum Schneiden von Edelstahl verwendet. Aber eine scharfe Kante ist normalerweise eine schwächere Kante, also ist das eine Herausforderung.“

Im Allgemeinen sind Hartmetallwerkzeuge die bevorzugte Wahl zum Schneiden dieser Stähle, erklärte Marsh, „es sei denn, das Teil ist für eine Lagerfläche oder ähnliches induktions- oder lasergehärtet. In diesem Fall würden wir fortschrittliche Werkzeugmaterialien wie CBN oder Keramik verwenden.“ Andererseits machte Marsh auch auf die hohe Nachfrage nach Kobalt bei der Herstellung von Batterien aufmerksam, die den Preis für Karbid erhöhen werde. „Wir wissen, dass das Angebot an Kobalt etwas begrenzt ist. Deshalb versuchen wir und andere herauszufinden, ob das Hartmetall der Zukunft bindemittelfrei sein wird.“

Bailo sagte, CARs Studien hätten gezeigt, dass im letzten Jahrzehnt Materialverbesserungen, die eine Gewichtsreduzierung ermöglichten, bis zu einem gewissen Grad durch die Hinzufügung neuer Funktionen für Komfort oder Sicherheit ausgeglichen wurden. Ebenso werden Batterien mit einer höheren Leistungsdichte die Notwendigkeit verringern, auf eine stärkere Gewichtsreduzierung zu drängen. Marsh wies auch darauf hin, dass die Gewichtsreduzierung angesichts der Natur des Automobiltransports einen Punkt erreicht, an dem die Erträge sinken. „Um das Fahrzeug auf dem Boden zu halten, muss man Gewicht haben, um die Schwerkraft zu nutzen. Wir bauen kein Flugzeug. Man kann Autos nur so leicht machen.“

Dies bringt uns zu einer weiteren tiefgreifenden Veränderung, die sich auf alles auswirken wird, vom Materialmix, der für die Herstellung von Autoteilen verwendet wird, bis hin zu deren Design, dem Ort, an dem sie hergestellt werden und wer sie herstellt: der additiven Fertigung (AM).

Bis 2035 wird „eine beeindruckende Anzahl von Autoteilen durch AM hergestellt werden“, sagte Terry Wohlers, Hauptberater und Präsident von Wohlers Associates, einem AM-Beratungsunternehmen mit Sitz in Fort Collins, Colorado. „Für einige werden die Kosten mit denen der konventionellen Fertigung konkurrenzfähig sein.“ Teile. Zusammen mit anderen Vorteilen wird dies den Einsatz von AM für OEMs und ihre Zulieferer attraktiv machen.“ Einer dieser weiteren Vorteile sei die Möglichkeit, einige Teile noch leichter zu machen, erklärte er. „Topologieoptimierung und Gitterstrukturen können Material und Gewicht teilweise erheblich reduzieren.“ Wohlers wies auch auf die Fähigkeit von AM hin, eine Baugruppe durch ein einziges komplexes Teil zu ersetzen. „Die Konsolidierung mehrerer Teile zu einem reduziert die Teileanzahl, Herstellungsprozesse, Lagerbestände und Arbeitsaufwand.“

Wohlers untertreibt möglicherweise, wenn er von „einer beeindruckenden Anzahl an Autoteilen“ spricht. Kelly von Automation Alley argumentierte, dass bis 2035 „die einzige Möglichkeit, auf Additive zu verzichten, ein anderer Grund als der Preis sein wird, etwa eine zu große Metallprägung.“ Additiv ist die wichtigste Technologie in der Fertigung seit 100 Jahren, seit Henry Ford das Fließband erfunden hat. Und das ist im Grunde das, woran wir gearbeitet haben.“ Nach Ansicht von Kelly hat AM viele Vorteile gegenüber der subtraktiven Fertigung und nur einen Nachteil: die Kosten pro Teil. Und dieser Nachteil verschwinde rasch, sagt er.

Erwägen Sie beispielsweise die LaserProFusion-Technologie von EOS zum Drucken von Kunststoffteilen. Jon Walker, Business Development Manager von EOS North America, Novi, Michigan, sagte, dieser kommende Ansatz sei etwa fünfmal schneller als die schnellste kommerziell verfügbare Maschine des Unternehmens, die selbst doppelt so schnell ist wie die vorherige Generation.

„Die aktuelle Technologie in der Kunststoff-AM nutzt einen oder zwei CO2-Laser im Inneren, abhängig von der Größe der Maschine. Als allgemeine Aussage erhöhen Sie die Geschwindigkeit um einen Faktor, der der Anzahl der Laser entspricht, die Sie dem System hinzufügen. Vier Laser wären also fast viermal schneller als ein Laser. Aber anstatt zwei 70-W-CO2-Laser in die Maschine zu stecken, können wir durch die Umstellung auf kleine 5-W-Laserdioden 980.000 Laser im gleichen Raum anordnen. Anstatt zwei Hochleistungslaser zu verwenden, verwenden wir eine Million kleiner Laser, die beispielsweise 100 Teile auf dem gesamten Bett herstellen können, wobei jeder Laser unabhängig arbeitet. Oder wenn Sie ein großes Teil bauen, könnten alle 980.000 Laser gemeinsam an diesem großen Teil arbeiten.“ Die Kommerzialisierung dieser Technologie werde einen „großen Wendepunkt für die Branche“ darstellen, sagte Walker. Dennoch ist er sich ebenso sicher, dass die Maschine im Jahr 2035 das Ende ihrer produktiven Lebensdauer erreichen wird und bis dahin noch schnellere Systeme auf den Markt kommen werden.

Außerdem, wie Kelly es ausdrückte: „Schnell ist relativ. Selbst wenn eine Maschine langsam ist, wenn ich 10.000 davon habe und 10.000 Teile pro Tag herstellen kann, ist das eine andere Gleichung. Automation Alley hat gerade ein Netzwerk von 300 Druckern verschiedener Hersteller aufgebaut, genannt Project DIAMOnD. Jeder Hersteller besitzt denselben Drucker und verdient damit selbst Geld. Aber wenn wir alle 300 verwenden müssen, können wir 300 Teile gleichzeitig herstellen. Und wir gehen davon aus, dass dieses Netzwerk in die Tausende gehen wird. Ab diesem Zeitpunkt handelt es sich nicht mehr um ein Teilproblem, sondern um ein Logistikproblem – wie lässt sich der Output all dieser Lieferanten zusammenfassen?“ Kelly argumentiert, dass dies nicht nur ein lösbares Problem sei, diese Art der verteilten Fertigung habe auch Vorteile – und sei die Zukunft.

„Ich denke, dass sich die Fertigung von zentralisiert, teuer und kapitalintensiv zu demokratisch, flexibel und unabhängig entwickeln wird. …Der Grund, warum wir uns für diese großen Montagewerke oder großen Hersteller entschieden haben, ist, dass sie so eingerichtet sein müssen, dass sie ein Teil wirklich gut herstellen können. Der Vorteil des Additivs besteht darin, dass es ein Widget von 9 bis 10 Uhr und dann Knorpel für ein Knie von 10 bis 11 Uhr herstellen kann. Anschließend kann eine Ablage für einen Flugzeugrücksitz von 11 bis 12 Uhr hergestellt werden. Sobald Sie dazu in der Lage sind Mit dem 3D-Druck kann man je nach den benötigten Materialien alles auf der Welt, in jeder Branche und zu jeder Zeit herstellen.“

Walker von EOS glaubt ebenfalls, dass Fabriken sich eher an einem Material als an einer Branche wie der Automobilindustrie orientieren könnten. „Bridgestone hat jetzt eine Abteilung, die Golfbälle, Reifen und Industriedächer herstellt – drei Branchen, die nichts miteinander zu tun haben. Aber die Kernkompetenz von Bridgestone ist die Chemie rund um diese Elastomermaterialien. Sogar ein kleines Unternehmen kann beim 3D-Drucken eines bestimmten Materials unglaublich effizient sein. Und wenn es ihnen gelingt, in verschiedenen Branchen eine gemeinsame Verwendung für dieses Material zu finden, kommt die Fertigung nach Bedarf ins Spiel.“

Darüber hinaus, postulierte Kelly, werde die Wall Street keine Unternehmen finanzieren, die eine Sache wirklich gut herstellen und deren Produktionslinie nur dann profitabel ist, wenn sie diese Sache vier Jahre lang weiter herstellt. „Diese Unternehmen werden aus dem Geschäft gedrängt. … Additive wird das Kapital erhalten, auch wenn es über Jahre hinweg ineffizient ist. Die Wall Street wird Additive finanzieren, weil sie prognostizieren, wohin die Welt geht. Es ist so, als würde man Tesla finanzieren oder GM nicht finanzieren.“

Damit Sie nicht glauben, dass Sie diesen Tsunami vermeiden können, oder dass es sich nur um den Fiebertraum eines fehlgeleiteten Hedgefonds-Managers handelt, sagte Kelly, er habe kürzlich mit einem Automobil-OEM-Manager gesprochen, der sagte, sein Unternehmen sei stark in AM vertieft und sehr enttäuscht, dass die Tier-1-Zulieferer dies nicht tun Ich verstehe nicht, was passiert. „Sie kommen nicht zu uns, um über ihre Additivfarm zu sprechen und darüber, wie sie zur Herstellung unserer Produkte verwendet werden kann, … wie sie neue Wege dafür entwickeln“, sagte der Geschäftsführer zu Kelly. „Sie sind eher ängstlich als opportunistisch.“

Das Problem für ein Tier 1, erklärte Kelly, besteht darin, dass AM sehr gut verstanden wird. „Es geht um Zeit und Material, und das ist öffentlich bekannt. Sie können sich nicht hinter den Kosten Ihrer Produktionslinie verstecken. Die OEMs wissen genau, wie lange der Druck dauern wird und wie viel Pulver dafür benötigt wird. Und sie kennen die Spotpreise für das Pulver. Deshalb streiten Sie sich nur darüber, welche Marge Sie erzielen müssen, und das ist eine sehr heikle Position für eine Tier-1-Gruppe, da sie die meiste Zeit die Tier-2- und Tier-3-Unternehmen organisiert. Aber jetzt erwartet Tier 2 oder Tier 3 ein goldenes Zeitalter. Sie können tatsächlich eine Beziehung zu einem GM oder einem Ford haben, weil die Computer die gesamte Komplexität bewältigen.“

Auch AM sei mit der Entwicklung hin zu Elektrofahrzeugen „an der Hüfte“, sagte Walker. „Im Umkreis von 10 Meilen um unser Büro in Novi gibt es wahrscheinlich fünf Unternehmen, die viel Erfahrung in der Entwicklung von Kurbelwellen haben. Und diese Kompetenz besitzen sie wahrscheinlich schon seit 100 Jahren. Aber bei Elektrofahrzeugen gibt es Unmengen neuer Teile, die wir noch nie zuvor herstellen mussten.“ Dies öffnet das Feld für Neueinsteiger aller Art. Walker verwies auch auf die bei Elektrofahrzeugen verwendete Skateboard-Architektur, bei der die Elektromotoren, Batterien, Aufhängung und Lenkung in einige Standardkonfigurationen eingebettet sind, während der Körper und alles, was Menschen regelmäßig berühren, individuell angepasst werden können. „Additive eignet sich perfekt für bestimmte Nischen, wenn wir geringe Stückzahlen und höhere Kosten pro Teil haben.“

Sowohl Bailo als auch Kelly glauben, dass der Kunde dies verlangen wird, weil die digitale Fertigung eine Massenanpassung ermöglicht. Oder vielleicht genauer: Nur diejenigen Unternehmen werden überleben, die die Vorteile der ständigen Verbesserung und Anpassung nutzen, die AM ermöglicht.

„Es passiert bereits“, sagte Bailo. Der Hongguang Mini füllt schnell die Straßen Chinas und übertrifft die Tesla-Verkäufe in den letzten Monaten deutlich, auch weil das Unternehmen bereit ist, in puncto Design alles zu tun, was der Kunde wünscht. (Siehe Foto des Mini auf der ersten Seite dieses Artikels.) Und es ist nicht nur Farbe. Möchten Sie, dass Ihr Auto mit einem Tapetenmuster überzogen wird? Kein Problem. Zeichentrickfiguren? Dito. Bailo sagte, sie habe von einem Besitzer gelesen, der über 2.000 US-Dollar ausgegeben habe, um den Innenraum des Autos mit braunem Samt und Dutzenden funkelnden Lichtern im Dachhimmel zu verkleiden. Der Mini kostet nur 4.200 US-Dollar, daher war dieser Käufer bereit, allein für die Individualisierung 35 Prozent mehr zu zahlen.

„Die Menschen werden nicht auf einen Lebenszyklus von fünf Jahren oder sogar einen Lebenszyklus von zwei Jahren auf eine kleine Veränderung warten“, sagte Bailo. „Schauen Sie sich an, was Tesla macht: Kleinere Stückzahlen, schnelle Produktwechsel, kurze Entwicklungszyklen, was dann den Bedarf an harten Werkzeugen überflüssig macht. Es können weiche Werkzeuge aus Additiven verwendet werden. Und die Menschen möchten, dass diese Produkte individuell angepasst werden, so wie sie heute ihr Telefon individuell gestalten können. Sie benötigen Kleinserienteile in verschiedenen Farben. Für Mitfahrdienste benötigen Sie Ersatzteile, die schnell und vor Ort hergestellt werden müssen. Viele Lieferfirmen werden ihre eigenen Wartungsarbeiten durchführen. Es wird also eine Rolle für Additive geben.“

Im Gegensatz zu Kelly geht Bailo nicht unbedingt davon aus, dass AM die großvolumigen Teile übernimmt – zum Beispiel einen Großteil des Skateboards. Aber für die menschliche Schnittstelle wird es unerlässlich sein. Sie glaubt nicht, dass sich die meisten Käufer jetzt so sehr darum kümmern, wer was unter der Haube gemacht hat. Und „in Zukunft wird das Antriebssystem noch stärker zur Massenware werden.“ Es ist etwas, das jeder für sein Geheimrezept hält, weil es in Bezug auf Kilometerleistung und Reichweite so konkurrenzfähig ist. Aber irgendwann wird es nicht mehr so ​​sein, wie es der Verbrennungsmotor heute ist.“

Sie erwartet eine Plattformoptimierung und Plattformfreigabe, wobei die Anpassung im „Zylinder“ erfolgen wird. Bailo sagte: „Die Art und Weise, wie das Fahrzeug mit Ihnen interagiert, der Komfort der Kreatur, das wird Sie zu dieser Marke führen“, erklärte Bailo. „Und immer mehr ist es die Mensch-Maschine-Schnittstelle. 25 Prozent der Autokäufer machen heute keine Probefahrt mit ihrem Fahrzeug, möchten aber sicherstellen, dass ihr Telefon gekoppelt wird.“

Bailo meint: „Die Unternehmen, die in Zukunft erfolgreich sein werden, sind diejenigen, die verstehen, wie man Risiken analysiert und dann Lieferketten einrichtet, um dieses Risiko zu bewältigen.“ … Das bedeutet nicht, dass alles in die lokale Produktion geht. Aber [Unternehmen werden] dies sehr strategisch tun, basierend auf den Elementen, die ihrer Meinung nach ein Risiko für sie darstellen, wenn sie es nicht lokalisieren.“ Kellys Idee eines verteilten Netzwerks von AM-Standorten wäre eine große Hilfe.

Wohlers stimmte zu, dass „die additive Fertigung dazu beitragen wird, die Lieferketten für einige Arten von Teilen zu vereinfachen“, warnte jedoch, dass „die Zertifizierung von Lieferanten Jahre dauern wird.“ Die Pandemie hat OEMs dazu motiviert, in diese Richtung zu gehen, daher ist der Prozess im Gange.“ Man könnte annehmen, dass die Automobilzertifizierung für viele additiv hergestellte Teile bis 2035 ausgereift sein wird. Schließlich haben wir, wie Walker betonte, bereits additive Teile in unseren Karosserien und in Verkehrsflugzeugen (einschließlich kritischer Teile von Triebwerken). Wenn die medizinische Gemeinschaft und die FAA AM-Prozesse und -Teile zertifizieren können, ist dies auch für die Automobilindustrie möglich.

Es gibt noch einen weiteren, fast verborgenen Aspekt von AM, der zur Sicherung der Lieferkette beiträgt: seine Einfachheit und Stabilität im Vergleich zur subtraktiven Bearbeitung. Wie Walker es ausdrückte: „Unsere Systeme sind sehr reproduzierbar, da es sich ausschließlich um Lasertechnologie handelt. Es ist nicht wie bei einer CNC-Maschine, bei der sich Kugelumlaufspindeln bewegen und mit der Zeit verschleißen. … Und jede Kugelumlaufspindel wird sich von Seriennummer zu Seriennummer ein wenig anders bewegen. Und vielleicht verschleißt der Motor, der die Kugelumlaufspindel antreibt, und so weiter. ... In unseren Maschinen gibt es eigentlich keine beweglichen Teile. Sie haben einen Laser und Galvos, und sobald Sie mit Ihrem Setup zufrieden sind, können Sie es auf andere Systeme übertragen und es wird sich unglaublich gut wiederholen lassen. AM wird es vielen Unternehmen, die heute keine erstklassigen Automobilhersteller sind, ermöglichen, in Zukunft Automobilzulieferer von großem Maßstab zu werden.“

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