Pro­duk­ti­ons­sys­te­me trans­for­mie­ren die Nutzfahrzeugbranche

Die Nutz­fahr­zeug­bran­che gerät unter Druck: Mit ver­bind­li­chen Jah­res­zie­len für den Ver­kehrs­sek­tor senkt das neue Kli­ma­schutz­ge­setz die erlaub­ten Emis­si­ons­men­gen deut­lich ab. Das Ziel: Deutsch­land wird bis 2045 kli­ma­neu­tral. Bis dahin müs­sen Treib­haus­ga­se schritt­wei­se ver­rin­gert wer­den. So dür­fen auf Deutsch­lands Stra­ßen im Jahr 2030 höchs­tens 85 Mil­lio­nen Ton­nen CO2 anfal­len – ver­gli­chen mit 150 Mil­lio­nen Ton­nen, die 2020 noch erlaubt waren. 2040 darf der CO2-Aus­stoß nur noch 12 Pro­zent gegen­über den Wer­ten von 1990, also 20 Mil­lio­nen Ton­nen, betragen.
Con­nec­ted, Auto­no­mous, Shared and Electric (CASE): Das sind die vier Mega­trends der nächs­ten Jah­re, die laut einer aktu­el­len Markt­stu­die von Frost & Sullivan1 die Trans­for­ma­ti­on in der kom­mer­zi­el­len Trans­port­bran­che hin zu mehr Nach­hal­tig­keit und Sicher­heit antrei­ben. Im Jahr 2030 könn­te bereits jeder zwei­te neue Lkw mit einer umwelt­freund­li­che­ren Antriebs­tech­no­lo­gie aus­ge­stat­tet sein. Um die­sen Bedarf wirt­schaft­lich nach­hal­tig zu decken, müs­sen Her­stel­ler die­ser Lkw ihre Mon­ta­ge­pro­zes­se über­den­ken und fle­xi­bler gestal­ten. An Lösun­gen forscht aktu­ell das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Gießerei‑, Com­po­si­te- und Ver­ar­bei­tungs­tech­nik IGCV: Im Pro­jekt »eTruck­Pro« ent­wi­ckeln die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler gemein­sam mit Indus­trie­part­nern aus der Auto­mo­bil- und Nutz­fahr­zeug­bran­che wand­lungs­fä­hi­ge Pro­duk­ti­ons­sys­te­me. Die­se ermög­li­chen es, elek­tri­sche und kon­ven­tio­nel­le Lkw auf einer gemein­sa­men Linie zu montieren.
Sol­che stren­gen Grenz­wer­te kön­nen nur auf zwei Arten ein­ge­hal­ten wer­den: mit alter­na­ti­ven Kraft­stof­fen (Syn­the­ti­sche- oder Bio-Kraft­stof­fe) oder durch elek­tri­sche Antriebs­tech­no­lo­gien (Bat­te­rie­spei­cher oder was­ser­stoff­ba­sier­te Brenn­stoff­zel­len, soge­nann­te E‑Lkw). Die der­zeit am stärks­ten fokus­sier­te Antriebs­art ist der elek­tri­sche Antrieb. Her­stel­ler von Nutz­fahr­zeu­gen müs­sen des­halb Lösun­gen fin­den, E‑Lkw schnell und kos­ten­güns­tig zu pro­du­zie­ren. Dabei sol­len jedoch Mehr­kos­ten der neu­en Kom­po­nen­ten, ins­be­son­de­re des Bat­te­rie­spei­chers bzw. der Brenn­stoff­zel­le, nicht durch zusätz­li­che Pro­duk­ti­ons­kos­ten­an­tei­le belas­tet wer­den. Hier gilt es, Mon­ta­ge-Lösun­gen zu nut­zen, die eine kos­ten­ef­fi­zi­en­te Her­stel­lung ermöglichen.
Noch lässt sich schwer abschät­zen, wie sich die Nach­fra­ge nach E‑Lkw ent­wi­ckeln wird. Micha­el Neu­kam, Lei­ter des Vor­se­ri­en­cen­ters bei MAN Truck & Bus in Mün­chen, sagt hier­zu bei­spiels­wei­se: »Die CO2-Gesetz­ge­bung ist der Trei­ber, aber nie­mand weiß, wie hoch die gefor­der­ten Stück­zah­len schluss­end­lich sein wer­den und wann genau sie gebraucht wer­den. Wir pla­nen, dass bis 2030 min­des­tens 60 Pro­zent der Lkw für den Lie­fer­ver­kehr und 40 Pro­zent der Lkw für den Fern­ver­kehr emis­si­ons­frei unter­wegs sein wer­den.« Um fle­xi­bel auf die Nach­fra­ge reagie­ren zu kön­nen, hat sich MAN Truck & Bus des­halb dafür ent­schie­den, die bestehen­de Linie zu hybri­di­sie­ren, statt ein kom­plett neu­es – mit hohen Anfangs­in­ves­ti­tio­nen und Risi­ken ver­bun­de­nes – Mon­ta­ge­sys­tem aufzubauen.
Zwei getrenn­te Sys­te­me wür­den sich wirt­schaft­lich nur loh­nen, wenn das Pro­duk­ti­ons­vo­lu­men von E‑Lkw unmit­tel­bar nach Markt­ein­füh­rung ein ver­gleich­ba­res Niveau wie Die­sel-Lkw erreicht. Zudem müs­sen Mon­ta­ge­flä­chen, Arbeits­plät­ze, Medi­en­ver­sor­gung, Werk­zeu­ge und Mit­ar­bei­ten­de nicht dop­pelt vor­ge­hal­ten wer­den. Ande­rer­seits exis­tie­ren Her­aus­for­de­run­gen einer gemein­sa­men Pro­duk­ti­on: Die Mon­ta­ge­li­nie soll mög­lichst kos­ten­ef­fi­zi­ent betrie­ben wer­den – egal, ob 5 oder 50 Pro­zent der dar­auf pro­du­zier­ten Fahr­zeu­ge E‑Lkw sind. Das Fraun­ho­fer IGCV setzt mit dem Pro­jekt »eTruck­Pro« an die­sem Punkt an: Mit­hil­fe eines digi­ta­len Modells des bestehen­den Mon­ta­ge­sys­tems bei MAN Truck & Bus wird die Pro­duk­ti­on vir­tu­ell umge­baut, simu­liert, ana­ly­siert und opti­miert. Etwa 200 Laser­scans der Mon­ta­ge­li­nie wer­den ver­ar­bei­tet und meh­re­re hun­dert­tau­send mög­li­che Mon­ta­ge­rei­hen­fol­gen wer­den durch die betei­lig­ten Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler dafür sys­te­ma­tisch untersucht.
In der vir­tu­el­len Pro­duk­ti­on ermit­teln die For­schen­den mit einer eigens ent­wi­ckel­ten Metho­dik, an wel­chen Stel­len die Mon­ta­ge neu­er Kom­po­nen­ten ange­passt wer­den muss. Mit Simu­la­ti­ons­mo­del­len wer­den die so gene­rier­ten Sze­na­ri­en vir­tu­ell abge­si­chert. Sta­tio­nen, deren Arbeits­ab­läu­fe bei der Inte­gra­ti­on der E‑Lkw beson­ders stark beein­flusst wer­den, las­sen sich detail­liert vir­tu­ell abbil­den – und das bis auf die Pro­zess­ebe­ne, das heißt bis auf die ein­zel­nen Mon­ta­ge­schrit­te. Sind kei­ne Anpas­sun­gen an der Sta­ti­on nötig, so wird die­se ledig­lich auf der Struk­tur­ebe­ne model­liert. Durch die vir­tu­el­le Abbil­dung der Pro­duk­ti­on lässt sich vor­ab bestim­men, in wel­cher Rei­hen­fol­ge bei­de Antriebs­for­men mög­lichst effi­zi­ent mon­tiert wer­den kön­nen. Dies ist auf einer vor­han­de­nen Mon­ta­ge­li­nie vor allem wegen der gro­ßen Anzahl an mög­li­chen Fahr­zeug­kon­fi­gu­ra­tio­nen beson­ders wichtig.
Die vom Fraun­ho­fer IGCV erstell­te digi­ta­le Abbil­dung der Fer­ti­gung geht über eine rei­ne Mate­ri­al­fluss­si­mu­la­ti­on hin­aus. Der Vor­teil des gesam­ten Pro­jekt­vor­ha­bens liegt klar auf der Hand: Indem eine vor­han­de­ne Mon­ta­ge­li­nie genutzt und eine Aus­tak­tung vor­ge­nom­men wird, las­sen sich Mehr­kos­ten – wie die Anschaf­fung zusätz­li­cher Betriebs­mit­tel und Pro­duk­ti­ons­flä­chen – ver­mei­den. Her­stel­ler kön­nen so anfäng­lich klei­ne Stück­zah­len pro­du­zie­ren, tes­ten, suk­zes­si­ve zur Seri­en­rei­fe aus­bau­en und anschlie­ßend ent­spre­chend der Kun­den­nach­fra­ge wei­ter ska­lie­ren. Inner­halb der digi­ta­len Fabrik kann das Team des Fraun­ho­fer IGCV tes­ten, inwie­fern eine hybri­de Mon­ta­ge auf­grund der vor­herr­schen­den Pro­duk­ti­ons­rand­be­din­gun­gen über­haupt rea­li­sier­bar ist: An wel­chen Sta­tio­nen sind die größ­ten Ver­än­de­run­gen zu erwar­ten? Wie las­sen sich ein­zel­ne Pro­zes­se umge­stal­ten, damit sie kos­ten­ef­fi­zi­en­ter ablau­fen? Und wel­che Vor­schlä­ge kön­nen unter ande­rem aus Platz­grün­den nicht umge­setzt wer­den, wel­che schon?
Basie­rend auf die­sen Erkennt­nis­sen wird eine Demons­tra­tor­platt­form am Fraun­ho­fer IGCV in Augs­burg auf­ge­baut. Sie dient dazu, Pro­duk­ti­ons­sys­te­me phy­sisch in einem klei­ne­ren Maß­stab dar­zu­stel­len. Dadurch kön­nen unter­schied­li­che Kon­zep­te gemein­sam mit MAN Truck & Bus getes­tet und eva­lu­iert wer­den – kol­la­bo­ra­tiv, rea­li­täts­nah und dis­zi­plin­über­grei­fend. Zudem wird die Mit­ar­bei­ter­un­ter­stüt­zung mit­tels kogni­ti­ver Assis­tenz­sys­te­me (Aug­men­ted Rea­li­ty) für die hybri­de Mon­ta­ge abge­bil­det. Hier­durch kön­nen alle rele­van­ten Aspek­te erleb­bar gemacht und die wesent­li­chen Fra­gen gemein­sam beant­wor­tet wer­den – etwa, wie sich ein sol­ches wand­lungs­fä­hi­ges Sys­tem unter ver­schie­de­nen Rah­men­be­din­gun­gen über­haupt umset­zen lässt, wie es fle­xi­bler gestal­tet wer­den kann, wie Mit­ar­bei­ten­de bezüg­lich der zuneh­men­den Vari­an­ten­zahl unter­stützt wer­den kön­nen und wie sich die dar­aus fol­gen­den Erkennt­nis­se der For­schung in die Indus­trie über­tra­gen las­sen. Damit tra­gen die For­schungs­er­geb­nis­se dazu bei, die Umset­zung einer umwelt­freund­li­che­ren Lkw-Flot­te zu rea­li­sie­ren und die Wett­be­werbs­fä­hig­keit Deutsch­lands bei der Her­stel­lung von elek­tri­schen Nutz­fahr­zeu­gen zu steigern.