Aluminiumzerspanung: Prozesssicher für E-Autos

Die Elektromobilität führt zu einem tiefgreifenden Wandel in der Fertigungslandschaft: Während ein klassischer Verbrennungsmotor mit Getriebe aus 1.400 bis über 2.000 hochpräzisen beweglichen Teilen besteht, kommt ein elektrischer Antriebsstrang mit nur etwa 20 bis 25 beweglichen Komponenten aus. Dies liegt hauptsächlich daran, dass der mechanisch aufwendige Verbrennungsprozess bei der Elektromobilität entfällt. Während die Anzahl der verwendeten Bauteile sinkt, steigt jedoch ihre Komplexität stark an. EV-spezifische Komponenten müssen mehrere Funktionen, wie Struktur, Schutz oder Kühlung, in einem einzigen, großen Leichtbauteil vereinen.

Eine zentrale Rolle spielt in der Fertigung dabei Aluminium. Das Leichtmetall ist für die E-Mobilität unverzichtbar, da es hilft, das hohe Gewicht der Batteriesysteme zu kompensieren und somit die Reichweite der Fahrzeuge zu vergrößern. Prognosen bestätigen diesen Trend: Der globale Markt für Aluminiumguss in Elektrofahrzeugen soll von 1,2 Milliarden USD im Jahr 2024 auf 3,5 Milliarden USD bis 2034 anwachsen.

Der verstärkte Einsatz von Aluminium bringt jedoch spezifische fertigungstechnische Probleme mit sich. Neue, oft großflächige und dünnwandige Bauteile, wie beispielsweise Batteriewannen, Statorgehäuse oder Inverter, erfordern höchste Präzision. Genau hier stößt die konventionelle Zerspanung an ihre Grenzen, insbesondere was die Prozesssicherheit betrifft. Dieser Artikel beleuchtet daher die zentralen Schwierigkeiten bei der Aluminiumzerspanung für die E-Mobilität – allen voran der kritische Spänefall. Zudem erläutert er, warum eine konsequente Umstellung auf die Horizontalbearbeitung sicherer und wirtschaftlicher ist.

Die Tücken der Aluminiumzerspanung

Die besonderen Materialeigenschaften von Aluminium stellen hohe Anforderungen an den Fertigungsprozess. Aluminium neigt zum sogenannten Schmieren sowie zur Bildung von Aufbauschneiden. Da Aluminium eine hohe Zähigkeit und eine starke chemische Affinität zu gängigen Schneidstoffen besitzt, kommt es unter dem hohen Druck und den Temperaturen an der Werkzeugschneide zu Mikro-Verschweißungen zwischen dem Span und dem Werkzeug. Anstatt eines sauberen Schnitts reißt das Material eher ab, was zu einer schlechten Oberflächengüte führt und den Werkzeugverschleiß stark erhöht.

Eine weitere Herausforderung ist der unzuverlässige Späneabtransport. Anders als bei spröden Werkstoffen wie Gusseisen entstehen bei der Aluminiumzerspanung oft lange, zähe und leichte Band- oder Wirrspäne. Diese verhaken und verknäueln sich leicht. Insbesondere in der konventionellen Vertikalbearbeitung, bei der das Werkzeug von oben in das Bauteil eintaucht, können diese leichten Späne nicht durch die Schwerkraft allein aus tiefen Taschen oder Konturen fallen.  Sie sammeln sich stattdessen im Arbeitsbereich, werden vom Kühlschmierstoff an der Werkstückoberfläche festgehalten oder vom Werkzeug erneut erfasst und mitgeschleift. Die Folgen: Kratzer auf bereits bearbeiteten, hochpräzisen Oberflächen, eine unkontrollierte Erwärmung des Bauteils durch den Wärmestau unter der Spanansammlung und im schlimmsten Fall ein blockierendes Werkzeug, das zu einem Bruch führt. Diese Faktoren gefährden die Prozesssicherheit massiv und machen eine automatisierte Serienfertigung praktisch unmöglich.

Die Horizontalbearbeitung als Lösung

Die Antwort auf die beschriebenen Herausforderungen liegt in einem grundlegenden Wechsel der Fertigungsstrategie: dem konsequenten Einsatz der Horizontalbearbeitung. Bei dieser Ausrichtung sorgt die Physik selbst für einen prozesssicheren Ablauf. Aufgrund der liegenden Spindel und der seitlichen Bearbeitung des Werkstücks fallen die Späne durch die Schwerkraft ungehindert nach unten aus dem Arbeitsbereich heraus. Sie können sich somit weder in tiefen Taschen sammeln noch auf dem Bauteil liegen bleiben.

Dieser freie Spänefall ist der entscheidende Vorteil gegenüber der Vertikalbearbeitung und löst eine Reihe von Problemen: Die Wärme wird effizient mit dem Span vom Bauteil wegtransportiert, was einen Hitzestau und den daraus resultierenden thermischen Verzug verhindert. Darüber hinaus können Späne nicht erneut vom Werkzeug erfasst und über die Oberfläche geschleift werden (sog. „Re-Cutting“). Dies vermeidet Kratzer und Beschädigungen und sorgt für eine höhere Oberflächengüte. Moderne digitale Lösungen wie AI Chip Removal unterstützen diesen Prozess zusätzlich, indem sie den Spänefall intelligent überwachen und optimieren. In Kombination mit der verbesserten Kühlung an der Schneide führt dies zudem zu längeren Werkzeugstandzeiten. Somit ergibt sich eine maximale Prozesssicherheit – die wichtigste Grundvoraussetzung für eine automatisierte Fertigung im Mehrschichtbetrieb.

Diese Prinzipien lassen sich in unterschiedlichen Maschinenkonzepten wiederfinden, die für die spezifischen Anforderungen der E-Mobilität ausgelegt sind. Für die hochproduktive Serienfertigung von Bauteilen mit geringerer geometrischer Komplexität, wie Statorgehäusen oder Deckeln, haben sich robuste 4-Achs-Horizontalzentren bewährt. Maschinen wie die NHX-Serie sind auf hohe Dynamik und Geschwindigkeit optimiert. Mit hohen Eilgängen und Spindeldrehzahlen ermöglichen sie kurze Zykluszeiten, die für die Skalierung der Massenproduktion unerlässlich sind. Ihre Konstruktion ist zudem auf eine nahtlose Integration in Automationslösungen wie Palettenspeicher (LPP) oder Roboterzellen (MATRIS) ausgelegt.

Die 5-achsigen Horizontalbearbeitungszentren der H monoBLOCK- und INH-Serie bündeln die Vorteile des freien Spänefalls mit der Flexibilität der Simultanbearbeitung und sind somit ideal für geometrisch anspruchsvollere Werkstücke, komplexe Freiformflächen oder auch größere Bauteil-Dimensionen. Bei der Zerspanung dieser oft großvolumigen Aluminiumkomponenten ist kein hohes Drehmoment erforderlich.

Vielmehr sind hohe Drehzahlen und maximale Fräsleistung entscheidend – Eigenschaften, die durch hochdynamische und kompakte Spindeln (beispielsweise mit SK40-Aufnahme) optimal abgedeckt werden. Zwar erfordern extrem ausladende flächige Strukturbauteile in der Praxis oftmals Gantry-Maschinen in Vertikalbauweise, doch für das breite Spektrum der komplexen E-Mobilitäts-Komponenten bietet die 5-achsige Horizontalbearbeitung höchste Präzision und kurze Durchlaufzeiten in einer einzigen Aufspannung.

Potenziale für die nächste Entwicklungsstufe

Die Horizontalbearbeitung bewältigt zwar eine zentrale Herausforderung bei der Aluminiumzerspanung, doch sie sollte nicht als isolierte Lösung betrachtet werden. Für die Wettbewerbsfähigkeit ist vielmehr die Optimierung des Gesamtprozesses von entscheidender Bedeutung. Ein zentraler Hebel hierfür liegt in der fortschreitenden Digitalisierung, die den gesamten Produktionszyklus durchdringt.

Sie beginnt bereits vor dem ersten Schnitt mit dem Einsatz von Digital Twins. Diese ermöglichen eine präzise Simulation und Optimierung des Bearbeitungsprozesses, sodass Fehler bereits virtuell eliminiert werden können. Diese Intelligenz verlagert sich jedoch zunehmend auch direkt in die Maschine selbst.

Mithilfe von KI-Anwendungen können Fertigungssysteme ihren eigenen Zustand autonom überwachen (Condition Monitoring), den Zerspanungsprozess auf Basis von Sensordaten in Echtzeit anpassen und Qualitätskontrollen selbstständig durchführen.

Parallel zu dieser technologischen Entwicklung rückt die „grüne Fertigung“ immer stärker in den Fokus. Die Steigerung der Energieeffizienz von Anlagen und Prozessen hilft dabei nicht nur, die Betriebskosten zu senken.

Sie ist auch eine Grundvoraussetzung, um nachhaltige und ressourcenschonende Produktionsketten für die Mobilität von morgen zu etablieren und somit einen ganzheitlich optimierten Prozess zu schaffen. Diese Kombination aus fortschrittlicher Horizontalbearbeitung, intelligenter Prozesssteuerung und nachhaltiger Fertigung ermöglicht es, das enorme Potenzial von Aluminium für eine leichte und effiziente elektrische Mobilität voll auszuschöpfen.

Quelle: DMG Mori