Antriebsstrangproduktion für zukünftige Mobilität – Integrierte Prozesskette der Blechpaketherstellung (AnStrom)

Problemstellung
Obwohl Elektromotoren für industrielle Anwendungen bereits seit mehreren Jahrzehnten in Großserie hergestellt werden, ergeben sich durch die Anwendung im automobilen Antriebsstrang neue Anforderungen (v.a. Bauraum, Gewichtsvorgaben, Lebensdauer, dynamische Lasten im Fahrbetrieb). Ein wesentliches Optimierungsziel ist die Erhöhung des Wirkungsgrads. Die Effizienz des Elektroantriebs wird dabei unter anderem von verschiedenen fertigungsbezogenen Faktoren beeinflusst. Eine Hauptkomponente des Elektromotors bilden die aus einzelnen Blechen zusammengesetzten Elektroblechpakete. Die Produktionsschritte bei der Herstellung dieser Blechpakete können zu einer elektrischen Verbindung der voneinander isolierten Elektrobleche und damit zu zusätzlichen Wirbelstromverlusten führen. Die hohe Unsicherheit und Dynamik der Märkte für E-Fahrzeuge durch die Anreiz- und Regulierungsvielfalt bedingt darüber hinaus eine hohe Stückzahlflexibilität der eingesetzten Produktionssysteme, um Investitionsrisiken zu mindern. Eine Gesamtbewertung der Prozessalternativen im Hinblick auf minimale Eisenverluste unter Berücksichtigung von Produktions- und Investitionskosten ist für eine optimale Auslegung der gesamten Produktionskette dringend erforderlich.
Projektziele und Vorgehensweise
Ziel des Vorhabens war die durchgängige Betrachtung und Optimierung alternativer Prozessketten zur Produktion von Blechpaketen für den automobilen Antriebsstrang. Da die Prozessschritte zur Fertigung von Blechpaketen für Hybrid- und Traktionsmotoren nahezu identisch sind, sind die betrachteten Prozessketten von universellem Charakter für verschiedene Bauformen und Anwendungen. Durch prototypisch getestete Qualitätskriterien, Mess- und Prüftechnik, detaillierte Analysen der Kostentreiber innerhalb der konkurrierenden Prozessketten sowie einer Analyse der fertigungsbedingten Verlusteinflüsse sollte ein relevanter Beitrag zur Stärkung der betroffenen Industrie erzielt werden.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die Forschungsergebnisse von AnStrom zeigen einen systematischen Vergleich der konkurrieren Verfahren zur Herstellung von Blechpaketen mit Einsatz in automobilen Traktionsantrieben. Dabei beziehen sich die Untersuchungen auf den Vergleich von Stanzen und Laserschneiden mit fliegender Optik (Laserstrahl steht senkrecht zum Blech) sowie den Paketierverfahren Stanzpaketieren, Klebepaketieren, Laserschweißen (Schweißpaketieren) und Backlack-Paketieren. Für die Untersuchungen wurden acht unterschiedliche Werkstoffe verglichen, die alle in ausreichender Menge zu Beginn des Projekts aus jeweils einer Charge bestellt wurden, um Lieferschwankungen auszuschließen. Zur systematischen Untersuchung der alternativen Fertigungsverfahren wurde ein umfangreicher Versuchsplan erstellt. Die durchgängigen Untersuchungen erfolgten am Einzelzahn-Blechpaket mit 70mm Stapelhöhe. Hiervon wurden in allen Verfahrensvarianten mindestens drei Proben hergestellt, um die Streuung der Prozesse und Messmittel zu quantifizieren. Aufgrund der Abhängigkeit der in der Anwendung im Elektromotor aus den verschiedenen Verfahren resultierenden Eigenschaften von der Geometrie des späteren Produkts ist ein direkter Vergleich der Eigenschaften der verschiedenen Verfahren grundsätzlich nicht möglich. Ziel der Arbeiten in AnStrom war es daher, die Beeinflussbarkeit der Eigenschaften der Elektroblechpakete von den durch die Fertigungsverfahren und die Designvorgaben beeinflussbaren Parametern zu ermitteln und quantitativ bewertbar zu machen. Es konnte gezeigt werden, dass sich alle Verfahrensalternativen grundsätzlich für die Produktion von Blechpaketen eignen. Die Auswahl muss jedoch gemäß den technischen Anforderungen sowie den Kostenzielen der individuellen Anwendung getroffen werden.

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