Eine Zeiss Prismo Ultra beschleunigt die Werkzeugentwicklung bei Mapal

Das Warten hat ein Ende

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Statt tagelang auf Ergebnisse eines Messdienstleisters warten zu müssen, wissen die Mitarbeiter der Entwicklungsabteilung bei Mapal heute in der Regel binnen einer Stunde, ob neue Werkzeuge den hohen Präzisionsanforderungen ihrer Kunden genügen. Möglich macht dies das hochgenaue Koordinatenmessgerät Zeiss Prismo Ultra, das seit einem Jahr in Betrieb ist.

2017 fiel die magische Marke: Erstmals verkauften die Autobauer weltweit über eine Million Elektrofahrzeuge. Um sich in dem Zukunftsmarkt gut zu positionieren, werden die großen Automobilhersteller deshalb weiterhin massiv in die Elektromobilität investieren. Eine Kraftanstrengung, die auch von den Werkzeugherstellern viel abverlangt. Denn sie müssen für die mit der E-Mobilität verbundenen neuen Bauteile und neuen Materialien schnell die passenden Werkzeuge beziehungsweise Werkzeuglösungen entwickeln.

Und weil der Zerspanungsaufwand bei Elektromotoren geringer als bei Verbrennungsmotoren ist, werden für diese Technik in Zukunft weniger Werkzeuge benötigt, sodass Mapal neben dem Powertrain neue Geschäftsfelder aufbaut. Das Familienunternehmen, das weltweit 5.250 Mitarbeiter beschäftigt, wird unter anderem sein Engagement im Werkzeug- und Formenbau intensivieren.

„Doch um hochpräzise, innovative Werkzeuge bzw. Werkzeuglösungen entwickeln zu können, brauchen wir hochpräzise Messergebnisse“, sagt Dr. Dirk Sellmer, Vice President Research & Development bei Mapal. Über Jahre hinweg ließ das Unternehmen seine Werkstücke und Werkzeuge bei einem externen Messdienstleister messen. Um dem Kunden schneller die maßgeschneiderten Werkzeuge zur Verfügung stellen zu können, die sich laut Sellmer „wie Legosteine zu komplexen Lösungen kombinieren lassen“, investierte das Unternehmen 2018 in ein hochgenaues Koordinatenmessgerät von Zeiss (Halle 4, Stand 4400). Seit Anfang 2018 arbeiten zwei Mitarbeiter des Werkzeugherstellers mit der Prismo Ultra. Heute steht für Sellmer fest: „Die Investition hat sich gelohnt.“ Das Messgerät entspricht den hohen Präzisionsanforderungen und war sofort ausgelastet. Die beiden Mitarbeiter der Entwicklungsabteilung, die immer abwechselnd zwei Wochen am Messgerät und zwei Wochen an den Fertigungsmaschinen arbeiten, prüfen auf dem Koordinatenmessgerät die Werkzeuge, die in der Abteilung entwickelt werden.

Vor allem aber messen sie die Werkstücke, die im Entwicklungsbereich mit den Mapal Werkzeugen bearbeitet werden. So lässt sich erkennen, wie präzise und stabil die Werkzeuge unter Fertigungsbedingungen sind. Um Präzision dreht sich überhaupt sehr viel bei dem in Aalen sitzenden Unternehmen. Denn die meisten Werkzeuge beziehungsweise Werkzeuglösungen werden dann eingesetzt, wenn Bauteile hochgenau zerspant werden müssen.

Ein aktuelles Beispiel, wie Mapal die Anforderungen seiner Kunden meistert, ist das Statorgehäuse eines Elektromotors. Die Herausforderung bei diesem Gussteil besteht darin, die Hauptbohrung mit einem großen Durchmesser über die gesamte Tiefe des Bauteils hinweg auf wenige Mikrometer genau zu bearbeiten. Bei der Rechtwinkligkeit liegt die Toleranz beispielsweise bei 30 μm, und bei der Koaxialität bei 50 μm.

Für große Bohrungen sind dies ausgesprochen enge Toleranzvorgaben. Warum die Anforderungen so hoch sind, erklärt sich aus dem Aufbau des Elektromotors, etwa eines permanenterregten Synchronmotors, der im Bereich NEV (New Energy Vehicle) im Moment noch deutlich häufiger als andere Motorenkonzepte anzutreffen ist: Der unbewegliche Teil des Elektromotors wird als Stator bezeichnet. Der Stator enthält dabei Wicklungen oder alternativ gesteckte Kupferdrähte, sogenannte Hairpins. Diese erzeugen durch Speisung mit Drehstrom ein rotierendes Magnetfeld. Innerhalb des Stators befindet sich der sogenannte Rotor. Dieser folgt aufgrund seines permanenterregten Magnetfeldes dem Magnetfeld des Stators.

Die Drehzahl des Rotors ist dabei proportional zur Drehzahl des magnetischen Feldes (deshalb synchron). Aufgrund der Drehbewegung des Rotors muss es einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator geben. Da dieser jedoch einen relativ großen magnetischen Widerstand darstellt, durch den die magnetische Flussdichte verringert wird (was den Wirkungsgrad des Motors senkt), wählen Konstrukteure diesen Spalt so schmal wie möglich. Damit die Fertigung der Konstruktion keinen Strich durch die Rechnung macht, bietet Mapal seinen Kunden ein hochpräzise arbeitendes und dabei für seine Größe sehr leichtes Werkzeug.

Dafür wird zunächst der Zylinder des Statorgehäuses aufgebohrt. Das heißt, dass ein circa 30 cm langes Werkzeug erst die äußere Gussschicht in der Bohrung des Gehäuses abträgt. Anschließend wird die Oberfläche feingerieben. Seit 1,5 Jahren bietet Mapal Werkzeuge für die hochpräzise Bearbeitung der Hauptbohrungen von Statorgehäusen an. Und da nicht jedes Gehäuse gleich ist, werden diese Werkzeuge für jeden Kunden maßgeschneidert.

Dafür stellen die Automobilbauer Mapal in der Regel zehn bis 30 Gehäuse zur Verfügung, die im Versuchsbereich mit den entsprechenden Werkzeugen bearbeitet werden. Die Messungen nach den Bearbeitungsdurchgängen bilden für die Techniker die Grundlage, um die hochkomplexen Werkzeuglösungen entsprechend der Kundenvorgaben zu optimieren.

Vor der Anschaffung eines eigenen Koordinatenmessgerätes ließ Mapal die Werkstücke und Werkzeuge bei einem externen Messdienstleister messen. Innerhalb von zehn Jahren erhöhte sich jedoch der Messaufwand deutlich. Denn zunehmend fährt Mapal auch die Werkzeuge für seine Kunden ein beziehungsweise übernimmt die Vorserienproduktion. Um dies für die Auftraggeber transparent zu machen, werden viele Messungen durchgeführt.

Mit dem zunehmenden Messaufwand erhöhten sich auch die Ausgaben. „Im Vergleich zu 2007 gaben wir 2017 mehr als das Doppelte für die externe Messdienstleistung aus“, so Sellmer. Die Kosten waren jedoch nicht der ausschlaggebende Punkt für die Entscheidung, in ein Koordinatenmessgerät zu investieren. „Keiner muss heute, so wie früher üblich, zwei bis drei Tage auf seine Messergebnisse warten.“ Diese liegen in der Regel innerhalb einer Stunde vor.

Und nicht nur das. Da bei Mapal Mitarbeiter messen, die sich zu Messtechnikern weiterqualifiziert haben, gibt es auch weniger Messartefakte. „Denn da unsere Mitarbeiter auch an der Fertigungsmaschine stehen, wissen sie intuitiver, wo beispielsweise Verschmutzungen das Messergebnis beeinflusst haben könnten“, so Sellmer.

Zudem werden die Bauteile jetzt aufgespannt in der Bearbeitungsvorrichtung vor Ort gemessen. Dies reduziert ebenfalls mögliche Messartefakte, die durch das Ab- beziehungsweise das erneute Aufspannen der Werkstücke verursacht werden. Auch das spontane Messen zwischendurch, um beispielsweise bei relativ dünnwandigen Teilen wie dem Statorgehäuse zu ermitteln, welchen Einfluss das Spannen auf das Bearbeitungsergebnis hat, ist für das Unternehmen ein großer Vorteil.

Und noch einen Punkt hebt Sellmer positiv hervor: Die Kommunikation zwischen den Ingenieuren und den Technikern hat sich verbessert. Sie diskutieren jetzt an der Messmaschine die Ergebnisse, anstatt sich Messprotokolle nur hinzulegen. Das trägt stark zum Wissenstransfer bei. „Wir kommen jetzt deutlich schneller ans Ziel“, so Sellmer.

Präzisionsmessraum der Güteklasse 1
musste gebaut werden

Um das Potenzial des hochgenauen Portalmessgeräts nutzen zu können, musste der Werkzeughersteller jedoch zunächst einen Messraum der Güteklasse 1 errichten. Eine Investition, die in etwa so hoch war, wie für das Messgerät selbst. Deshalb vertraute Mapal beim Bau des Präzisionsmessraums auf die Empfehlungen von Zeiss, auch bezüglich der ausführenden Firmen. „Das Ergebnis ist überzeugend“, so Sellmer. Der circa 20 m2 große Messraum bietet dank einer speziellen Klimatisierung und einer eigenen Belüftungsanlage eine hohe Messsicherheit und damit die passende Umgebung für alle Messaufgaben.“

Die Frage Zeiss oder ein anderer Anbieter stellte sich für Sellmer dabei nie. Zum einen, weil Mapal bereits seit Jahren mit mehreren Zeiss-Geräten arbeitet und sowohl von dem Handling als auch von der Qualität der Geräte und des Services laut Sellmer „ausgesprochen überzeugt“ ist. Und zum anderen, „weil sehr viele unserer Kunden Zeiss-Geräte nutzen“. Mit Zeiss zu arbeiten, vereinfache sogar die Kommunikation mit den Kunden. Sellmer: „So kommen wir möglichen Problemen gemeinsam und damit auch schneller auf die Spur.“ ■


Die Autorin

Syra Thiel

Storymaker

im Auftrag von

Zeiss

www.zeiss.de/messtechnik


Webhinweis

Ein Video zum Einsatz des Koordinatenmessgeräts Prismo Ultra bei Mapal sehen Sie hier: http://hier.pro/FPtOd


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