Der neueste Trend im Automobilbau

Der vermehrte Einsatz von Aluminium-Gigacasting-Modulen und -Strukturteilen wird in erster Linie durch die Notwendigkeit vorangetrieben, die kontinuierliche Zunahme des Fahrzeuggewichts zu vermeiden, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und der wachsenden Nachfrage nach batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen gerecht zu werden. Richtig gemacht, kann Gigacasting theoretisch die Herstellungskosten pro Einheit senken, da das Schweißen von Dutzenden von Karosserieteilen durch das Gießen eines einzigen Moduls entfällt. In der Diskussion werden jedoch die grundlegenden Hindernisse bei der Umsetzung dieser Technologie weitgehend außer Acht gelassen.

Diese massiven Gussteile (auch Gigacastings oder Megacastings genannt) sind mit enormen Anlaufkosten verbunden, können Verzugsprobleme im Metall aufweisen, die Möglichkeiten der Kollisionsreparatur beeinträchtigen und erfordern umfangreiche End-of-Line-Inspektionsscans am Ende des Produktionsprozesses. Und das alles erst nachdem man die maßgeschneiderte, riesige Anlage bestellt, sie an ihren Platz gebracht und herausgefunden hat, wie man die Prozesse effizient abwickeln kann.

Der Unterboden ist das Ziel

Warum verfolgen etablierte Automobilhersteller und Zulieferer dennoch diese großen Träume? Haben die Gießereiexperten nicht genügend technische Lösungen für die bekannten betrieblichen Probleme? Und können ADAS-Systeme genügend Unfälle verhindern, um situationsabhängig die nicht reparablen Gussteile zu kompensieren?

Die Antwort ist einfach: Es geht nicht um die Komponenten, es geht um die Montageanlage. Und es geht nicht um Material- und Prozessänderungen an der Unterseite der Fahrzeuge, sondern um die kreativen Prozesse selbst, die sich im Wandel befinden. Es geht nicht um die genaue Umsetzung in der Produktion, sondern darum, wie ein völlig neuer Arbeitsablauf eine verbesserte Produktivität ermöglicht.

Betrachtet man den Marktanteil fortschrittlicher Stähle, die Hersteller dieser Komponenten und die Umstellungsraten in den Einführungsszenarien, so prognostiziert S&P Global Mobility, dass 15 bis 20 Prozent der traditionellen Rohkarosserie (BIW) im Jahr 2030 durch Gigacastings ersetzt werden könnten. Unterbodenkomponenten machen in der Regel etwa 50 Prozent des BIW eines Fahrzeugs aus, und dieser weiche Unterboden ist wo Gigacasting ansetzt.

Das Ende des Fließbands?

Das Know-how der Zulieferer, die Hallenkonzepte und die Fahrzeugkonfigurationen ändern sich. Als Folge dieser Veränderungen nähert sich die Transportbranche einer bedeutenden Umwälzung, die das Rückgrat der Automobilindustrie betrifft: die Fließbandfertigung.

Aber das Fließband selbst entwickelte sich weiter, um diese Verbesserungen zu absorbieren. Keine Revolution der Montageeffizienz drohte das lineare Modell zu gefährden – bis jetzt. Robotik, Automatisierung, Industrie 4.0 und Blockchain haben Auswirkungen auf die Effizienz, den Rhythmus und die Support-Netzwerke moderner Montageanlagen.

OEMs betrachten Gigacasting nicht als ein Bauteil, sondern als eine fundamentale Veränderung der gesamten Wertschöpfungskette. Die neue Choreographie des Tanzes der sich hinter den Fabrikmauern abspielt wird die Wirtschaft in der Automobilindustrie für immer verändern.

Ob Eckgussteile oder Einzelteile, ob Gigacast oder Gigapress, Fahrzeuge werden künftig anders zusammengefügt werden. Die modulare Bauweise wird die lineare ersetzen, Engpässe werden entstehen und sich auflösen, und es wird etwas völlig Neues entstehen.

Gigacasting und das chinesische Festland 

Der Aufschwung des Aluminium-Gigacasting im chinesischen Automobilsektor, insbesondere bei Elektrofahrzeugen (NEVs), wird durch die Notwendigkeit der Gewichtsreduzierung und Effizienzsteigerung vorangetrieben. Die Entscheidung zwischen ausgelagerten Lieferketten und eigener Produktion wirft Fragen der Nachhaltigkeit und der Kosten auf. 

S&P Global Mobility erwartet, dass die Produktion von leichten Elektrofahrzeugen in China bis 2030 insgesamt 19 Millionen Einheiten pro Jahr erreichen wird – und das Land damit als weltweit führend im Bereich der Elektrofahrzeuge etabliert. Nun möchte China einen wesentlichen Einfluss auf das Gigacasting weltweit ausüben.

Das führt dazu, dass die Hersteller von Elektrofahrzeugen in China mehr Aluminium für die Karosseriefertigung verwenden und das Material erschwinglicher wird. Folglich kann dies das Wachstum des EV-Marktes in der gesamten Region ankurbeln.

Trend zu Aluminium-Gigacasting nimmt zu

In jüngster Zeit hat sich der Trend zu Aluminium-Gigacasting-Modulen und -Strukturteilen mit dem NIO ET5 und dem Zeekr 009 von Geely verstärkt, die beide mit einem einteiligen Aluminium-Gigacasting-Heckboden ausgestattet sind.

Der G6 von Xpeng verfügt nicht nur über eine einteilige Frontpartie aus Aluminium-Gigacasting, einschließlich der vorderen Stoßdämpferbrücken und Längsträger, sondern auch über einen einteiligen Heckboden. Diese beiden Module wurden separat mit zwei Gießmaschinen der LK Group mit jeweils 7.000 Tonnen Presskraft gegossen.

Auslagern der Produktion verspricht Vorteile

Im Gegensatz zum Gigacasting-Produktionsmodell von Tesla, haben diese Automobilhersteller das Gigacasting an Tier-1-Zulieferer ausgelagert und damit neue Kooperationen ins Leben gerufen. Das Modell von Tesla ist durch einen firmeninternen Ansatz gekennzeichnet, der erhebliche Investitionen in Gigacasting-Anlagen in der Nähe der Endmontagewerkstatt beinhaltet.

Diese Verlagerung verspricht Vorteile, da die Verantwortung die Technologie gemeinsam zu entwickeln zwischen OEMs und Tier-1-Zulieferern aufgeteilt wird, während gleichzeitig die Risiken, die mit erheblichen Vorabinvestitionen und potenziellen Patentverletzungen verbunden sind, reduziert werden. Dennoch bleiben Herausforderungen wie die Verfügbarkeit von Maschinen und technische Streitigkeiten bestehen, die künftige Kooperationen erschweren könnten.

Beim chinesischen Modell werden hinter den Kulissen umfangreiche Vorbereitungen getroffen, um diese großen ausgelagerten Module aus dem Gigacasting in die Karosseriemontage zu integrieren. In den letzten Monaten wurden mehrere Kooperationen bekannt gegeben, darunter Partnerschaften zwischen Seres und Wencan, Human Horizon EV und Tuopu sowie Li Auto mit einem nicht genannten Tier-1-Zulieferer, um nur einige zu nennen.

Die wachsende Beliebtheit des ausgelagerten Gigacasting-Ansatzes ist ebenfalls offensichtlich, da er es den Automobilherstellern ermöglicht, die beträchtlichen Vorabinvestitionen, die für den Bau ihrer eigenen Gigacasting-Anlagen erforderlich sind zu umgehen.

Ein kostspieliges Glücksspiel?

Die Kosten-Nutzen-Analyse von Gigacasting sollte auf einer ausreichenden Ertragsrate beim ersten Durchgang und einer ausreichenden, aber nicht übermäßigen Anzahl von Aufträgen für dasselbe Teil basieren. Beim Vergleich von Gigacasting mit konventionellem Stahlpressen oder Aluminiumheften schätzt S&P Global Mobility den Stückpreis für einen einteiligen Aluminiumheckboden dennoch als valide ein.

Um die Produktionskette zu straffen und die Produktionseffizienz zu steigern, können Tier-1-Zulieferer Aufträge von OEMs konsolidieren und dadurch redundante Investitionen in Gigacasting-Maschinen vermeiden. Der Stillstand für den Werkzeugwechsel an einer Gigacasting-Maschine, die oft mehrere Tonnen wiegt, kann jedoch von Stunden bis zu Tagen dauern – was unweigerlich zu einer Verringerung der Nutzungsrate und Produktivität führt.

Häufiges Umrüsten reduziert Produktionszahlen

Ausgehend von unserer früheren Analyse einer typischen Gießmaschine mit 6.000 Tonnen Presskraft für die Herstellung von Heckbodenmodulen wird ihre maximale Jahreskapazität auf 100.000 bis 150.000 Teile geschätzt, mit einer Zykluszeit von 120 bis 150 Sekunden pro Teil, bei einem Betrieb von 16 bis 20 Stunden pro Tag und bis zu 300 Arbeitstagen pro Jahr, wobei eine Ausbeute von 90 Prozent angenommen wird. Häufige Werkzeugwechsel für verschiedene Teile auf derselben Gigacasting-Maschine würden diese Produktionszahlen weiter reduzieren.

Ein konkretes Beispiel: Die Gigafactory von Tesla in Shanghai Lingang ist mit drei oder vier IDRA-Gigapressen ausgestattet, die speziell für das Gießen des einteiligen Heckbodens des Model Y vorgesehen sind. Die maximale Produktionskapazität für dieses Modell wird auf bis zu 600.000 Einheiten pro Jahr geschätzt, wenn man die Größe der Gigapressen berücksichtigt.

Tesla hat sich jedoch dafür entschieden, die Gigacast-Technologie nicht für das neue, im August vorgestellte und in China produzierte Model 3 zu verwenden. Im Gegensatz zu früheren Berichten verfügte dieses Modell weder über einen einteiligen Aluminium-Heckboden noch über einen größeren einteiligen Unterboden.

Kapazitäten sind voll ausgelastet

Wir behaupten, dass nur eine beträchtliche Anzahl von Gigacasting-Maschinen die ausgelagerte Gigacasting-Lieferkette effektiv aufrechterhalten kann. Warum ist das so? Wenn man bedenkt, dass das maximale Produktionsvolumen auf 150.000 Stück pro Jahr beschränkt ist, wird deutlich, dass die vorhandene Kapazität ein zusätzliches Programm für das Model 3 nicht stützen kann. 

Die Megacasting-Standorte sind voll ausgelastet, und es gibt keine verfügbaren Ressourcen oder Pläne für weitere Investitionen, um die internen Kapazitäten im Tesla-Werk in Lingang zu erweitern, zumindest bis jetzt.

Maschine baut Maschine

Wie können OEMs und Zulieferer die Gigacasting-Technologie in die traditionellen Prozesse des Karosseriebaus integrieren? Wie Elon Musk feststellte, ist es komplizierter, die „Maschine zu bauen, die die Maschine baut“, als das Endprodukt selbst.

Die Herstellung und Feinabstimmung einer Gigacasting-Maschine dauert mehrere Monate , bis die Maschine einen Grad an Zuverlässigkeit und Stabilität erreicht hat, der eine gleichmäßige Produktion ermöglicht. Diese Prozesse sind unbestreitbar arbeitsintensiv und erfordern ein hohes Maß an Fachwissen.

Derzeit gibt es nur eine Handvoll Unternehmen (darunter LK Group, Bühler, Yizumi, Haitan und UBE), die in der Lage sind, Gigacasting-Maschinen herzustellen. Folglich reichen die neu geschaffenen Kapazitäten für Gigacasting nicht aus, um die steigende Nachfrage nach elektrifizierten Fahrzeugen zu befriedigen.

Eine Frage des Kompromisses

Es gibt auch Herausforderungen mit dem Produktionsmanagement in den Werkshallen. Einteilige Megacasting-Maschinen bieten OEMs die Möglichkeit, die Präsenz von Maschinen, Robotern und manueller Arbeit in ihren traditionellen Karosseriewerken erheblich zu reduzieren.

Die Implementierung von zwei unterschiedlichen Fertigungssystemen – dem traditionellen Karosseriebau mit Stanz- und Schweißverfahren und dem Gigacasting mit weniger Bearbeitungsprozessen, aber neuen Fördersystemen zur Bewältigung des großen Materialvolumens – stellt jedoch zum jetzigen Zeitpunkt einen pragmatischen Kompromiss dar.

Es stellt sich also die Frage, wie man bestehende Produktionslinien gewinnbringend restrukturieren oder umbauen kann, um die ausgelagerten Gigacasting-Komponenten zu integrieren. Solche Methoden sind noch nicht erprobt. Gigacasting ist zwar in der Lage, einen Teil der Unterboden-Strukturbauteile herzustellen, schließt aber nicht die Notwendigkeit aller Stanz- und Schweißverfahren im Karosseriebau aus.

Immer höhere Presskräfte 

Die Anwendung der Presskraft in Megagießmaschinen hat zu erheblichen Diskussionen geführt. Beim normalen Druckguss von Aluminium werden üblicherweise Presskräfte von weniger als 4.000 Tonnen eingesetzt.

Tesla setzte jedoch mit seiner bahnbrechenden Innovation im Jahr 2019 neue Maßstäbe, indem es die hintere Bodengruppe des Model Y mit Gigacasting herstellte – mit einer Presskraft zwischen 6.000 und 9.000 Tonnen. Berichten zufolge steht Tesla auch kurz davor, fast den gesamten Unterboden eines Elektrofahrzeugs in einem Stück gießen zu können. Chinesische OEMs bemühen sich nun eifrig darum, Teslas Erfolg mit Gigacasting-Maschinen mit immer höheren Presskräften zu wiederholen; es gibt Berichte über noch gewaltigere 12.000- und 16.000-Tonnen-Maschinen.

Es ist ein langer Weg

Auch wenn das Megagießen von Karosserieteilen nicht sofort rentabel ist, ist die Branche fest entschlossen, die Technologie weiterzuentwickeln, da sie das Potenzial hat, die traditionellen Lieferketten und die Produktion zu überdenken.

Dennoch sieht S&P Global Mobility noch zahlreiche Hindernisse, darunter Herausforderungen im Zusammenhang mit der Anzahl der Gigacasting-Maschinen, neue Probleme bei der Betriebsführung, die Notwendigkeit, alternative technische Lösungen zu erforschen und mehr. Zulieferer und OEMs sollten diese Hindernisse in ihrer Strategie berücksichtigen.