Fördertechnik für innerbetriebliche Transporte im Bereich E-Mobilität

E-Mobilität und Intralogistik gehören zusammen. Hybrid- und Elektrofahrzeuge befinden sich auf dem Vormarsch, sie überrunden in Deutschland ab 2030 Pkws mit Verbrennungsmotoren. Die EU-weit geltenden Regeln zur CO2-Einsparung erfordern diesen Wandel. E-Mobilität braucht leistungsfähige Automobil- und Batteriehersteller sowie Zulieferer. Deutschland bildet nach China bereits den zweitgrößten Markt für Elektroautos. Die deutsche Automobilbranche steht vor einem gewaltigen Umbruch, den sie hinsichtlich Innovationen im Bereich E-Mobilität und Einbindung dieser Fahrzeuge in die Strom- und Verkehrsinfrastruktur bewältigen muss.

Intralogistik

Ein Artikel zum Thema
Produktion und Intralogistik für den Bereich Elektromobilität
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Intralogistik in der Automobilindustrie

Ob Hersteller von Komponenten und Produkten, Teilelieferant oder Automobilhersteller, alle in der Automobilbranche am Herstellungsprozess beteiligten Industrieunternehmen zeichnen sich durch hoch komplexe Logistikprozesse aus. Bereits die kleinste Veränderung oder Abweichung in der Intralogistik kann gravierende Auswirkungen auf die Effizienz im Produktionsprozess haben. Innovative Transportsysteme nutzen rechnerunterstützte Informationssysteme und künstliche Intelligenz (KI), um den Material- und Informationsfluss effizient zu gestalten.

Im Bereich des Fahrzeugbaus spielt die Automatisierung und Selbststeuerung der Fördertechnik eine wesentliche Rolle. Ein Pkw besteht aus 20.000 bis 40.000 Einzelteilen verschiedener Materialien. Die Produktion der Autos erfordert dabei lean logistics, sprich einen kostengünstigen innerbetrieblichen Materialfluss mit minimalen Beständen.

Die Umstellung der Produktion auf Elektrofahrzeuge stellt die Automobilbranche vor völlig neue Herausforderungen. Änderungen in den Montage- und Zulieferbetrieben sind notwendig, die Herstellung der erforderlichen Hochleistungsbatterien, aber insbesondere der Austausch des Antriebs kommen hinzu.

Umstellung der Produktion für E-Mobilität

Insbesondere steht die Fertigung der Leistungselektronik sowie die der Batterien im Fokus. Letztere stehen im Zentrum der E-Mobilität und stellen eine besondere Herausforderung an Entwicklung und Produktion dar.

In der Fertigung steuern Produkte idealerweise selbstständig die Montagelinien. Autonome Transportsysteme basierend auf Algorithmen und künstlicher Intelligenz (KI) sind dabei unverzichtbar. Intralogistik mit selbststeuernden Objekten bildet eine optimale Grundlage für die erforderliche Umrüstung der Produktion in Richtung E-Mobilität.

Platzsparende Transportsysteme, die für einen reibungslosen und effizienten Material- und Informationsfluss vom Lager bis zum Endprodukt sorgen, die leicht wandelbar sind, bieten einen Wettbewerbsvorteil gegenüber der Konkurrenz.

Das intelligente Transportsystem montrac® von montratec erfüllt diese Bedingungen. Es erhöht die Flexibilität in der Produktion und die Produktionsvolumen lassen sich gezielt an den tatsächlichen Bedarf anpassen.

Vereinfachte Montage von E-Autos

Elektromobilität erfordert eine umfangreiche Anpassung der Produktionsumgebungen. Elektroautos und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor unterscheiden sich im Wesentlichen im Antriebsstrang und in der Leistungselektronik. Das E-Auto braucht weder eine Lichtmaschine, noch einen Anlasser oder Kraftstoff- und Abgassysteme. Speziell der Antriebsstrang umfasst beim Verbrennungsmotor mehr als 1000 Komponenten, während sich diese beim E-Auto auf wenige Hundert reduzieren.

Damit entfallen komplexe und arbeitsintensive Montageschritte, die Produktion vereinfacht sich. Die Autohersteller können sich auf die Montage der verhältnismäßig einfach aufgebauten Elektromotoren konzentrieren.

Der vereinfachte Montageprozess erlaubt der Automobilbranche vermehrt Roboter oder automatisierte Geräte einzusetzen. Allerdings erfordert die Fertigung von E-Autos gleichzeitig neue Herstellungsverfahren. Dazu zählen etwa das Aufwickeln, Imprägnieren oder Versiegeln von Kabeln, eine umfangreichere Qualitätskontrolle der verbauten elektrischen Systeme kommt hinzu.

Herstellung von Elektro- statt Verbrennungsmotoren

Die Umstellung der Produktion auf elektrisch angetriebene Fahrzeugen betrifft nicht nur die Montage der einzelnen Komponenten, sondern auch die zu montierenden Komponenten selbst ändern sich. Verbrennungsmotoren erfordern aufwendige Gieß- und Bearbeitungsprozesse, während sich Zylinder, Kurbelgehäuse, Nockenwellen und Gestänge beim E-Auto erübrigen.

An ihre Stelle treten einfacher zu produzierende Bauteile. Ein unbeweglicher Stator, ein drehbarer Rotor und Elektromagnete wandeln die elektrische Energie in mechanische um.

Aktuell erfolgt die Produktion von Elektromotoren noch in niedriger Stückzahl mit geringer Produktivität oder in hochspezialisierten und sehr unflexiblen Transferstraßen, so die Aussage des Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Um die Industrie bei der wirtschaftlichen und variablen Fertigung von Elektromotoren zu unterstützen, initiierte das KIT 2020 das Projekt AgiloDrive. Ziel des vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg geförderten Forschungsprojekt ist ein agiles Produktionssystem, basierend auf modularen produkt- und produktionsspezifischen Technologien. AgiloDrive zielt darauf ab, die wirtschaftliche und flexible Produktion von Elektromotoren verschiedenster Varianten, Technologien und Stückzahlen voranzutreiben.

Herstellung der Leistungselektronik

Leistungselektronik ist die Schlüsselkomponente jedes Elektroantriebs. Sie bildet die Grundlage für den erfolgreichen Wandel zur E-Mobilität. Batterien sind eine Sache, aber erst der erfolgreiche Einsatz der Leistungselektronik gewährleistet ein effizientes und zuverlässiges E-Automobil. Zum einen steuert die Leistungselektronik den Elektroantrieb und ermöglicht das Rückwärtsfahren, zum anderen stellt sie die Verbindung zwischen der Batterie und dem Elektromotor her.

Am einfachsten wäre die Nutzung eines kommutierten Gleichstrommotors mit Bürsten. Dem widersprechen ein hoher Wartungsaufwand, ein niedriger Wirkungsgrad und eine geringe Lebensdauer.

In Elektrofahrzeugen kommen deshalb bürstenlose Gleichstrommotoren zum Einsatz. Diese erfordern einen Inverter, meist einen dreiphasigen Wechselrichter, der dem Motor den in Frequenz und Spannung variablen, dreiphasigen Drehstrom liefert. Das Zusammenspiel zwischen Elektromotor und Batterie erfolgt mithilfe von Mini-Computern. Eine Herausforderung bildet dabei die stetig steigende Anforderung an die Leistung bei gleichzeitiger Reduzierung des Gewichts.

Des Weiteren wird ein DC/DC-Wandler benötigt, ähnlich der Lichtmaschine beim Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, der die Spannung für das Niedervolt-Bordnetz produziert. An ihm hängen Klimaanlage, Servolenkung, Beleuchtung sowie das Infotainment-System.

Eine weitere Komponente bildet das Onboard-Ladegerät. Die Traktionsbatterie braucht zum Laden Gleichstrom, den liefern meist nur Zapfsäulen an den Autobahnen. Innerstädtische Stromtankstellen oder die Ladestelle zu Hause liefern meist nur Wechselstrom, der zunächst von der verbauten Ladeeinheit umgewandelt werden muss.

Der technologische Fortschritt und die ständige Weiterentwicklung aller systemrelevanten Komponenten erfordern eine innovative Produktion und eine flexible Intralogistik. Die Fertigungs- und Fördersysteme müssen sich leicht verändern und anpassen lassen. Hochmoderne Fertigungsanlagen alleine reichen für die Umsetzung nicht, es braucht eine entsprechende automatisierte, modular aufgebaute und maximal flexible Fördertechnik.

Automatisierte Fördertechnik im Bereich Batterieproduktion

Dass die Entwicklung und Produktion von Batterien im Bereich der E-Mobilität in Deutschland im Argen liegen, ist ein offenes Geheimnis. Asien ist unbestrittener Vorreiter, die deutsche und europäische Autobranche gerät in eine gefährliche Abhängigkeit. Denn asiatische Hersteller verfügen über Erfahrungen in der Produktion, die sich deutsche Produzenten erst noch aneignen müssen.

Das Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe ging der Frage nach, welche Faktoren für eine wettbewerbsfähige Batteriefertigung wichtig sind. Dabei stellte sich heraus, dass ein wesentlicher Punkt die räumliche Nähe zum jeweiligen Abnehmer darstellt. Dies veranlasst immer mehr asiatische Hersteller, die Kapazitäten in der Batteriezellproduktion in Europa auszuweiten. Dies überwiegt sogar die Nachteile höherer Herstellungskosten an europäischen Standorten.

Ein Wettbewerbsvorteil für deutsche oder europäische Firmen könnten künftig Batterien mit höherer Energiedichte und, Schnellladefähigkeit, bei gleichzeitig geringeren Produktionskosten und dem Einsatz erneuerbarer Energien bei der Batterieherstellung sein. Derzeit entfallen noch hohe Lohnkosten auf Forschung und Entwicklung. Eine weitere Optimierung und Automatisierung der Fertigungs- und Intralogistikprozesse dürften die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Firmen deutlich verbessern. Im Fokus steht die Entwicklung technologisch überlegener Batterien zu einem wettbewerbsfähigen Preis.

Der Produktionsprozess von Traktionsbatterien muss in einer sauberen und trockenen Umgebung bei maximal 2 % relativer Luftfeuchtigkeit erfolgen. Ferner sind in der Batteriefertigung das Tragen antistatischer Arbeitskleidung und Schutzmaßnahmen gegen elektrostatische Entladung (ESD) erforderlich.

Dies gilt auch für die eingesetzte Fördertechnik Automatisierung. Die Förderanlagen müssen einen sicheren und effizienten Transport der Batteriezellen garantieren. montratec verfügt über die notwendige Erfahrung. Das montrac® Cleanroom Shuttle MSH4 CR befördert Produkte in Reinräumen zwischen verschiedenen Produktionsschritten.

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Fazit

Fördertechnik für innerbetriebliche Transporte im Bereich E-Mobilität gewinnt immer mehr an Bedeutung. Um in der Batterieherstellung als Global Player im Wettstreit mit den asiatischen Herstellern mitspielen zu können, braucht es eine kostengünstige und effiziente Fertigung und innovative Intralogistiklösungen. Der Einsatz integrierter Transport- und Prozesslösungen mit intelligenter Steuerung ist dabei unabdingbar.

Das modulare Monoschienensystem montrac® sorgt für eine optimale Prozessverkettung. Von Losgröße Eins bis hin zur Hochvolumenproduktion unterstützt es die Fertigung und den innerbetrieblichen Transport von Komponenten im Bereich der E-Mobilität in der Automobilbranche.