Fachartikel

18.07.2018
erschienen in GIESSEREI Heft 7|2018

Einfluss der Elektromobilität auf die Gussproduktion in der deutschen Gießerei-Industrie – Teil 2

Die Ergebnisse der vom BDG initiierten Studie zum Einfluss der Elektromobilität auf die Gießerei-Industrie wurden auf der GGT in Salzburg von Dr. Christian Wilhelm (links), Foundry Consulting & Solutions, und Prof. Dr. Lothar Kallien (Mitte), Hochschule Aalen, Ende April 2018 präsentiert (Foto: Andreas Bednareck).

Mobilität ist seit dem Benz-Patent-Motorwagen Nummer 1 des deutschen Erfinders Carl Benz im Jahr 1886 [1] ein wesentlicher Grundpfeiler unserer Gesellschaft. Aktuell dominierend ist nach wie vor in Fahrzeugen der konventionelle Verbrennungsmotor. Doch der sich weitreichend abzeichnende Trend zur Elektromobilität, weg vom Verbrennungsmotor, stellt die deutsche Automobilindustrie und ihre Zulieferer zunehmend vor neue Herausforderungen. Die deutsche Gießerei-Industrie ist als Hauptlieferant an die Automobilindustrie gekoppelt und von deren Schwankungen und Trends direkt betroffen. Wie bei jedem Trend gibt es auch beim Thema Elektrifizierung Chancen und Risiken. In welcher Form sich diese auf die deutsche Gießerei-Industrie beziehen, soll im Folgenden beschrieben werden. Die technischen Aspekte der Antriebstechnologien im Vergleich wurden bereits in Teil 1 beschrieben, die sich hieraus ergebenden Folgen für die Branche und die davon betroffenen Gießereibetriebe sollen in diesem 2. Teil beleuchtet werden.

VON CHRISTIAN WILHELM, MAUER, UND LOTHAR H. KALLIEN, AALEN

Die deutsche Automobilindustrie als Teil des globalen Fahrzeugmarktes

Bild 1 zeigt die starke internationale Vernetzung der in Deutschland produzierenden Hersteller von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen (LCV) im Jahr 2016. Betrachtet man die Hersteller von Fahrzeugteilen und die daran beteiligten Gießereien, wird die komplexe globale Vernetzung offensichtlich (Bild 2). Einflüsse der sich abzeichnenden Elektromobilisierung können aus diesem Grunde nicht mehr isoliert für Deutschland, sondern müssen im globalen Kontext betrachtet werden. In den folgenden Ausführungen wird deshalb Bezug auf die weltweite Entwicklung der Fahrzeugzulassungen im Vergleich zur Entwicklung in Deutschland genommen. Dies bedeutet, dass ein potenziell betroffener Gießereibetrieb den Focus auf seine spezifische Abhängigkeit vom deutschen und/oder globalen Markt legen muss, will er die spezifischen Auswirkungen der Elektromobilisierung für sich bewerten.

Pkw-Zulassungsstatistiken für Deutschland und die Welt

Bild 3 zeigt die Entwicklung der Neufahrzeugzulassungen und die hierfür zu produzierenden Motoreinheiten weltweit bzw. in Deutschland im Vergleich. Die starke Zunahme der weltweiten Fahrzeugzulassungen ist im Wesentlichen auf das hohe Wachstum in China zurückzuführen. Die deutschen Zulassungen hingegen stagnieren. Zieht man die Tatsache, dass jeder Hybridantrieb nach heutiger Technologie sowohl einen vollwertigen Verbrennungsmotor als auch einen Elektroantrieb besitzt, mit ins Kalkül, so ist ein erheblicher Zuwachs von einzeln gießtechnisch herzustellenden Motoreinheiten festzustellen. Unabhängig von der Marktentwicklung zeichnet sich also ein zusätzlicher Teile- und Guss-Mehrbedarf durch die (wenn auch als Brückentechnologie) vorübergehend ansteigende Hybridisierung ab.

Dieser Trend schwächt sich weltweit nach 2030 ab bzw. kehrt sich in Deutschland zwischen 2030 und 2040 um. In der weiteren Betrachtung werden die wesentlichen Hauptbauteile der verglichenen Antriebskonzepte, wie in Bild 4 dargestellt, gewichtsmäßig und fertigungstechnisch bewertet. Demnach wird die Gesamttonnage der Hauptbauteile aus Guss weltweit um ca. 70 % zunehmen (Bild 5). Auf Deutschland fokussiert, wird die Gusstonnage bis zum Jahre 2030 um 9 % zunehmen; dann wird sich der bereits beschriebene Umkehrtrend mit einer Abnahme um 9 %, verglichen mit 2020, einstellen. Unter Berücksichtigung einer vereinfachten Fertigungstakt-Betrachtung ergibt sich der in Bild 6 dargestellte Sachverhalt: weltweite Zunahme der Fertigungstakte bis 2040 und Umkehr des Trends, bezogen auf die prognostizierten Zulassungen in Deutschland, nach 2030.

Elektromobilisierung bei Nutzfahrzeugen im Jahr 2040

Bild 7 zeigt die prognostizierte Elektromobilisierung im Nutzfahrzeugbereich. Während die Elektromobilisierung bei leichten Nutzfahrzeugen (<3,5 t) im Jahr 2040 bei ca. 50 % liegen wird, geht man bei den mittleren und schweren Nutzfahrzeugen lediglich von 20 % aus. Da es gießtechnisch nicht relevant ist, um welche Art von Verbrennungsmotorentechnik (LNG (liquefied natural gas), CNG (compressed natural gas) es sich handelt, kann man festhalten, dass die betroffenen Gießereien, die aktuell an der Herstellung von Lkw-Hauptbauteilen aus Guss, wie z. B. Zylinderkurbelgehäusen und Zylinderköpfen, beteiligt sind, in geringerem Umfang von der Elektromobilisierung betroffen sein werden als die im Pkw- und LCV-Bereich tätigen Gießereien. Die Busantriebe werden einen hohen Elektromobilisierungsgrad, vergleichbar dem der Pkw und LCV, erreichen.

Wettbewerb der Fertigungsverfahren

Zur Herstellung der Hauptbauteile aus Guss kommen heute die unterschiedlichsten Herstellverfahren zum Einsatz. Dies war nicht immer so. Am Beispiel des Herzstücks des Grundmotors, dem Kurbelgehäuse Pkw, wie in Bild 8 dargestellt, wurden diese Gussteile in den 1970er-Jahren noch überwiegend aus Eisenguss mit Kernen, eingelegt in bentonitgebundene Formen, gegossen. Die Kerne waren zumeist einzeln geschlichtet und lose in die Form eingelegt.

Aktuell werden Pkw-Zylinderkurbelgehäuse nach allen gängigen Fertigungsverfahren hergestellt. Der Eisenguss, GJL ergänzt durch GJV, steht hierbei in einem erfolgreichen und förderlichen Wettbewerb mit dem Aluminiumguss respektive seinen stetig weiterentwickelten Legierungen, getrieben durch die Bemühungen um Gewichtsreduzierung. Es ist festzustellen, dass Kurbelgehäuse von Dieselmotoren etwas stärker im Eisenguss und klassischen Sandgießverfahren vertreten sind, während Kurbelgehäuse der Benzinmotoren etwas stärker im Leichtmetallguss vertreten sind und hierfür naturgemäß auch Verfahren wie Kokillen- und Druckgießen zum Einsatz kommen.

Neueste Produkte der OEMs sowohl in Aluminium- als auch in Eisenguss zeigen, dass der Wettbewerb zwischen dem Leichtmetallguss auf der einen und modernen, verfahrens- und designoptimierten Eisengussvarianten auf der anderen Seite weiter besteht. Es wird erwartet, dass der Eisenguss sich auch weiterhin behaupten wird. Die eingesetzten Fertigungsverfahren, zumindest beim Eisenguss, werden sich zu Komplettkernpaketen hin entwickeln, bei denen die bentonitgebundene Form nur noch das Transportmedium für Form und Guss darstellt oder sogar komplett auf den Formsand verzichtet wird.

Bild 9 zeigt die Situation für den Zylinderkopf Pkw sowie Bild 10 die Situation bei den Kurbelgehäusen und Zylinderköpfen für Lkw-Motoren. Pkw-Zylinderköpfe werden – von Ausnahmen abgesehen – aktuell nur noch in Leichtmetall im Kernpaketverfahren, Kokillengießverfahren oder in Lost Foam (LF) hergestellt. Diese Verfahren werden auch in Zukunft dieses Marktsegment unter sich ausmachen. Betrachtet man Kurbelgehäuse und Zylinderköpfe für Lkw-Motoren, so ist hier (noch) kein Leichtmetallgussteil in Sicht. Die Entwicklung geht allerdings auch hier in Richtung höherer Kernpaketanteile bei der Formgebung. Betrachtet man das Hauptbauteil eines Elektromotors (Bild 11), wird deutlich, dass Eisenguss hierbei aktuell keine Rolle spielt.

In Abhängigkeit davon, ob beispielsweise die (Stator)-Gehäuseteile ein- oder mehrteilig ausgeführt werden, stehen praktisch alle Fertigungsverfahren des Leichtmetallgießens zur Verfügung. Die Entwicklung der Bauteile eines Elektromotors steht im Vergleich zur Motorenentwicklung der Verbrennungsmotoren allerdings noch in einem frühen Entwicklungsstadium; eine Prognose ist hier nicht möglich. Inwieweit der Eisenguss bei diesen gegossenen Bauteilen in den Wettbewerb der Verfahren und Materialien eingreifen wird, ist spekulativ.

Bild 12 gibt einen Gesamtüberblick über die Chancen und Risiken der Elektromobilisierung für den Einsatz von gegossenen Bauteilen. Was die Gussbauteile des Fahrwerks betrifft, so ist, bereinigt um das prognostizierte Marktwachstum, von einer stabilen Menge dieser Gussteile auszugehen. Es wird allerdings eine Zunahme der Komplexität dieser Bauteile erwartet. Die Gussteile des Antriebsstrangs lassen ebenfalls eine Zunahme an Komplexität erwarten. Die Mengenentwicklung zeigt den in diesem Bericht bereits detailliert beschriebenen Verlauf. Mit Blick auf das vergleichsweise noch frühe Entwicklungsstadium der heutigen Purpose-Design-Fahrzeuge im Besonderen und der auf dem Markt verfügbaren Conversion-Design-Fahrzeuge im Allgemeinen, ist davon auszugehen, dass Gussteile im Bereich der Fahrzeugstruktur sowohl in Menge als auch in der Komplexität erhebliches Wachstum erfahren werden.

Chancen für die Gießereibranche

Betrachtet man den Entwicklungsfortschritt der Fahrzeugtechnologie seit Erfindung des Automobils, von der „Kutsche ohne Pferd“ zum heutigen modernen Fahrzeug, oder vergleicht man das Design alter und moderner Verbrennungsmotoren (Bild 13), so wird deutlich, dass wir uns sowohl bei den Elektromobilen (Fahrzeugen) als auch den elektromotorischen Antrieben noch in einem vergleichsweise frühen Stadium der Entwicklung befinden. Fest steht jedoch, dass die bisher erreichten und auch die zukünftigen Entwicklungsschritte ohne eine leistungsfähige und hochentwickelte Gießereitechnologie nicht möglich war und auch in Zukunft nicht möglich sein wird.

Hybridfahrzeuge, wie in Bild 14 dargestellt, sind, dem Druck des Marktes und der politischen Vorgaben folgend, noch aus Teilen des Baukastens der bisherigen Fahrzeug- und Motorentechnologien zusammengestellt. Bei allem Respekt vor dem bisher Erreichten, wird dies sicherlich eine Brückentechnologie sein, an deren Ende moderne Fahrzeug- und Antriebstechnologien stehen werden, deren konstruktive Details bestenfalls erahnt werden können. Gussteile im Antriebsstrang, der Karosseriestruktur und dem Fahrwerk spielen aktuell eine zentrale Rolle, was auch in Zukunft der Fall sein wird.

Chancen für die Gießereibranche durch die sich verändernde Infrastruktur durch E-Mobilität

Die aktuelle Situation der Bereitstellung erforderlicher Lade-Infrastruktur stellt ein wesentliches Hindernis für die Akzeptanz des Elektroantriebs bzw. Elektrofahrzeugs dar (Bild 15). Sowohl bei der Erzeugung umweltfreundlicher Energie als auch bei der Bereitstellung der Infrastruktur gibt es noch einige Hürden zu nehmen. Ohne Guss ist jedoch auch dies nicht möglich. So sind heute bereits die wesentlichen Bauteile einer Windstromerzeugungsanlage beispielsweise Bauteile aus hochfestem Eisenguss. Auch Ladesäulen und andere Teile der Energieversorgung und -bereitstellung sind ohne Gussteile nicht denkbar. Erforderliche, hohe Investitionsleistungen lassen ein Marktwachstum erwarten, an dem auch Gießereien partizipieren werden.

Fazit

Obwohl der rein elektromotorische Antrieb, wie im ersten Teil des Berichtes (GIESSEREI 105 (2018), [Nr. 4], S. 84-95) beschrieben, weniger komplex ist, weniger Bauteile und damit auch weniger Gussteile hat als der klassische Verbrennungsmotor, wird die Menge des zu erwartenden Gusses bis ins Jahr 2030 voraussichtlich zunehmen. Ursachen hierfür sind einerseits das prognostizierte Marktwachstum, getrieben durch den chinesischen Markt, andererseits schlichtweg die Zunahme der Gussteile durch die Brückentechnologie des Hybridmotors, der sowohl die Bauteile eines Verbrennungsmotors als auch die Bauteile eines Elektroantriebs besitzt.

International betrachtet, dürfte dies zu kontinuierlichem Gussmengenwachstum führen, bezogen auf den stagnierenden deutschen Markt zu einer Gussmengensteigerung bis 2030 und einer Trendumkehr zwischen 2030 und 2040. Diese Entwicklungen zeigen sich sowohl in der Gusstonnage als auch in der Menge der erforderlichen Fertigungstakte zur Herstellung der wesentlichen Hauptbauteile aus Guss. Die zur Herstellung des Grundmotors eines Verbrennungsmotors benötigten Bauteile, wie Kurbelgehäuse und Zylinderkopf beim Pkw, lassen auch in Zukunft einen, technologisch gesehen, fruchtbaren Wettbewerb der gießtechnischen Verfahren und Werkstoffe erwarten.

Im Lkw-Sektor ist der Einfluss der Elektromobilisierung sehr gering, seine Gussbauteile sind heute und zu erwarten auch in Zukunft schwerpunktmäßig aus Eisenguss in der Kombination Kernpaket/bentonitgebundene Form zu sehen.

Inwieweit der Eisenguss noch in der Elektroantriebstechnologie Einzug halten wird, ist nicht vorherzusagen. Die Gießtechnologie ist hoch entwickelt und hat in der Vergangenheit überhaupt erst die Weiterentwicklung der Fahrzeug- und Motorentechnologie ermöglicht. Künftige Fahrzeug- und Motorenkonzepte sind ohne Guss und seine hochentwickelten technologischen Verfahren im Entwicklungsverbund der Konstrukteure und Gießer nicht denkbar. Insofern hat der Guss nach wie vor eine große Zukunft; die auf Basis der Prognosen erforderlichen Gussmengen werden sogar noch weltweit steigen.

In der Gesamtsicht ergibt sich für die Gießereibranche hierdurch ein positives Bild. Es darf jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Übergang zur Elektromobilität immense Herausforderungen für die Gießerei-Industrie bereithält. Diese Herausforderungen als Chancen zu begreifen, bleibt jedem Unternehmen überlassen. Die Gießereibetriebe haben die zu erwartenden Konsequenzen für die unternehmensspezifische Situation individuell zu bewerten.

Dr.-Ing. Christian Wilhelm, Foundry Consulting and Solutions, Mauer, Prof. Dr.-Ing. Lothar H. Kallien, Hochschule Aalen

Zu Teil 1 des Artikels zum Einfluss der Elektromobilität auf die Gussteilfertigung kommen Sie >>hier!