Integrierte Produkt- sowie Prozessentwicklung und digitale Fabrikplanung für die E-Mobilität

Die Elektromobilität und die Energiewende sind zwei der beherrschenden Themen unserer Zeit. Dass Elektrofahrzeuge mit Strom aus regenerativen Energien versorgt werden können, macht sie zu einer umso attraktiveren Alternative zu konventionellen Verbrennungsfahrzeugen. Trotzdem scheint der Plan der Bundesregierung, bis ins Jahr 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen bringen zu wollen, nicht aufzugehen. Ein wesentlicher Hemmschuh ist dabei der Preis elektrischer Fahrzeuge. Dieser liegt in der Regel mit 5.000 bis 10.000 Euro über dem eines vergleichbaren Verbrennungsfahrzeugs. Um die Elektromobilität konkurrenzfähig zu machen, braucht es daher eine massive Kostensenkung.

Kernkomponente Elektromotor

Eine der Kernkomponenten der Elektromobilität ist, neben der Batterie, der Elektromotor. Dieser zeichnet sich, im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, durch einen konstant hohen Wirkungsgrad aus, durch den die chemisch in der Batterie gespeicherte Energie effizient in Antriebsenergie umgewandelt werden kann. Eine zentrale Herausforderung stellt die Produktion der Motoren zu einem marktgerechten, akzeptablen Preis dar. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass aktuell die Kosten etwa 200 Prozent über den Zielkosten liegen. Ein Grund dafür ist in der Produktionsweise automobiler Elektromotoren zu suchen. Aufgrund der geringen Nachfrage nach Elektrofahrzeugen werden die Motoren nur in kleinen Stückzahlen, zumeist in Werkstattfertigung, hergestellt, sodass Skaleneffekte nicht effektiv genutzt werden können. Um diesem Teufelskreis zu entkommen, müssen in der Elektromobilität und der Produktion von Elektromotoren neue Wege beschritten
werden. 

Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung

Einen vielversprechenden Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen, bietet die integrierte Produkt- und Prozessentwicklung. Hierbei werden nicht nur produktionsseitige Restriktionen in die Produktentwicklung mit aufgenommen, vielmehr übt die Produktionsplanung aktiven Einfluss auf die spätere Produktgestalt aus. Dadurch können mögliche Alternativen bereits in frühen Stadien aus mehreren Perspektiven bewertet werden, sodass eine sowohl funktions- als auch produktionstechnisch optimierte Produktkonfiguration ermöglicht wird. Auf diese Weise kann etwa das Produkt optimal auf die neuesten Produktionstechnologien abgestimmt werden.
Der Neuheitsgrad der Komponenten elektrischer Fahrzeuge ist dabei Fluch und Segen zugleich. Da wenige etablierte Lösungen existieren, entstehen vor allem in den frühen Phasen nahezu unüberschaubare Lösungsräume, die durch die Planer und Entwickler systematisch einzuschränken sind. Andererseits sind sie nicht dazu gezwungen, sich in vorgegebenen Bahnen zu bewegen, wodurch innovative Lösungen entwickelt werden können.

Digitale Fabrikplanung

Einen zentralen Bestandteil der integrierten Produkt- und Prozessentwicklung stellt die digitale Fabrikplanung dar. Sie ermöglicht die Visualisierung von Arbeitsplätzen, Logistikflächen, Maschinen, Transportbändern und weiteren Hilfsmitteln in einem  3D-Layout. Zusätzlich bietet sich aber auch die Chance, Materialflüsse sowie Arbeitsprozesse zu simulieren und so die Zwischenergebnisse der integrierten Produkt- und Prozessplanung zu evaluieren und zu vergleichen. Darüber hinaus können Kapazitätsbewertungen auf Grundlage von Arbeitszeitmodellen und dem zu fertigenden Produktspektrum vorgenommen werden, um so die Produktion passend zu dimensionieren.
Das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen bedient sich für die digitale Fabrikplanung eines speziell entwickelten Fabrikplanungstisches auf Basis der Software visTable der Firma Plavis. Auf einem großen Touchscreen lassen sich verschiedene Objekte des Layouts wie Maschinen, Produkte, Regale und so weiter in einer 2D-Draufsicht verschieben. Das Ergebnis ist direkt in einer 3D-Ansicht abgebildet, die es den Planern erleichtert, die Auswirkungen ihres Layouts zu bewerten.
Dieses Vorgehen erlaubt es, Personen aller Hierarchieebenen in den Planungsprozess mit einzubeziehen und deren spezifisches Know-how zu nutzen. Dieses interdisziplinäre Vorgehen hat sich in der Praxis vielfach bewährt, da für eine effektive Produktionsauslegung das strategische Verständnis des Abteilungsleiters, besonders aber auch das technische Know-how des Fertigungsmitarbeiters, von großer Bedeutung sind.

Praxisbeispiel Elektromotorenfabrik

Um den zuvor genannten Herausforderungen in der Elektromobilität zu begegnen, wurde an der RWTH Aachen in einem interdisziplinären Forschungsprojekt ein Elektromotor entwickelt, der für die speziellen Anforderungen eines Elektrofahrzeugs konzipiert ist und vom dem bereits erste Prototypen unter seriennahen Bedingungen gefertigt wurden. Dabei arbeitete das WZL mit einem Konsortium aus Forschungs- und Indus­triepartnern zusammen, sodass eine fahrzyklus-, materialkosten-, fertigungs- und montagegerechte Produktauslegung erfolgen konnte. Durch die konsequente Verfolgung einer integrierten Produkt- und Prozessentwicklung ließ sich die Motortopologie optimal auf die Produktionsprozesse und Anlagentechnik abstimmen.
Während der Entwicklung fiel beispielsweise die Entscheidung zugunsten eines permanentmagneterregten Synchronmotors mit 100 Volt Nennspannung, da dieser keine teure Hochvoltmontage-Einrichtung benötigt, wodurch ein weiterer Schritt in Richtung des Ziels, die Elektromobilität bezahlbar zu machen, gegangen werden konnte.
Auch die Entwicklung eines Produktionskonzepts ist Bestandteil des Projekts. Im Fokus stand dabei eine Steigerung der Stückzahlen über die Phasen der Prototyp-, Kleinserien- und letztendlich prognostizierten Großserienfertigung.
Durch den Einsatz der digitalen Fabrikplanung konnte ein Fabrikkonzept erarbeitet werden, das alle Phasen in sich vereint. Die Variation des Layouts machte es möglich, die spezifischen Anforderungen jeder Phase bestmöglich zu erfüllen. Verschiedene Layout-Typen wurden geplant und mit den Hilfsmitteln der digitalen Fabrikplanung analysiert und bewertet, sodass sich für jede Phase ein verifiziertes Layout ergab.
Für die Prototypen-Fertigung wurde eine Nestfertigung gewählt, in der die Fertigung und Montage der (Teil-)Produkte in je einem speziellen Bereich erfolgt. Die räumliche Nähe zeitlich aufeinander folgender Arbeitsschritte an den einzelnen Stationen innerhalb eines Nestes bedeuten kurze Weg für Werker und Bauteile. Zudem minimiert die Blockstruktur des Layouts die Wege zwischen den einzelnen Stationen.
Wichtigstes Kriterium für die Großserienfertigung ist ein flüssiger Produktionsprozess. Aus diesem Grund wurde das Konzept der Nestfertigung verworfen und stattdessen eine Fließfertigung umgesetzt. Diese ermöglicht einen hohen Automatisierungsgrad zwischen den einzelnen Stationen, was in der Summe zu einem im Vergleich zur Nestfertigung erhöhten Output und geringeren variablen Kosten führt.

Fazit

Die Elektromobilität ist eine zukunftsweisende Technologie, deren Akzeptanz jedoch stark mit ihrer Preisentwicklung zusammenhängt. Ein vielversprechender Ansatz zur Senkung der Kosten für elektrische Fahrzeuge stellt die integrierte Produkt- und Prozessentwicklung dar, die neben dem Produkt auch die Produzierbarkeit in den frühen Phasen der Entwicklung betrachtet. Ein wichtiges Hilfsmittel ist in diesem Zusammenhang die digitale Fabrikplanung. Durch sie können Prozesse und Materialflüsse der erarbeiteten Konzepte schon in einem frühen Stadium bewertet und mögliche Kosten abgeschätzt werden. Diese Ergebnisse werden in den Entwicklungsprozess rückgekoppelt, wodurch Fehler und Verbesserungspotenziale aufgezeigt werden können. Dieses Vorgehen wurde am WZL in der Entwicklung eines Elektromotors und der zugehörigen Produktion erfolgreich angewandt. jbi

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker ist Lehrstuhlinhaber des Lehrstuhls für Produktionsmanagement am WZL der RWTH Aachen und Geschäftsführer von Street­Scooter.
Dr.-Ing. Peter Burggräf ist Oberingenieur am Lehrstuhl für Produktionsmanagement am WZL.
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Carsten Nee ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Elektromobilproduktion und Leiter der Projekte im Forschungsfeld Elektromotorenproduktion am WZL.
Dipl.-Ing. Matthias Backs ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Fabrikplanung am Lehrstuhl für Produktionsmanagement am WZL.

  • Das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen arbeitet mit einem speziell für die Fabrikplanung ausgelegten Touchscreen-Planungstisch.
  • Der Teufelkreis, in dem sich die Elektromobilität befindet, bewirkt zu hohe Fahrzeugpreise und resultiert in einer zu geringen Nachfrage. Durch die folglich niedrigen Stückzahlen stellen sich keine oder nur geringe Skaleneffekte ein.
  • Die in Nestern organisierte Prototypenfertigung im 2D-Layout …
  • … und in der 3D-Darstellung.
  • Für die Serie eignet sich eine Fließfertigung besser. Im 2D-Layout lassen sich Maschinen und Objekte verschieben…
  • …in der 3D-Sicht sind Probleme besser erkennbar.
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