Wird additive Fertigung der Game Changer in der Kabelbaum-Produktion?

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) soll der Absatz von Elektroautos (EV) im Jahr 2023 wohl 14 Mio. Einheiten übersteigen, was einem Anstieg von 35 % gegenüber dem Vorjahr entspricht und einen beschleunigenden Trend darstellt. Der globale Wettbewerb ist hart, und Hersteller sind ständig auf der Suche nach Kosten- und Leistungsvorteilen gegenüber der Konkurrenz.

Der Kabelbaum eines Fahrzeugs, der alle elektrischen und elektronischen Schaltkreise miteinander verbindet, ist eine der größten und schwersten Komponenten, die von EV-Herstellern zugekauft werden. Er ist auch das letzte große Hindernis für eine vollautomatisierte Fertigung und alle damit verbundenen Vorteile.

Fahrzeugkabelbäume sind sicherheitskritische Komponenten, insbesondere in Elektrofahrzeugen, die mit ADAS-Fahrassistenzsystemen und autonomen Fahrtechniken ausgestattet sind. Autos sind immer stärker auf Elektronik angewiesen und EVs sind vollgepackt mit Sensoren und Aktoren, die jeden Aspekt des Antriebsstrangs regeln und schützen. Darüber hinaus speisen Kabelbäume Signale und Strom für Komfortfunktionen wie Sitzheizung, Infotainment-, Navigations- und Kommunikationssysteme.

Im Gegensatz zu praktisch allen anderen wesentlichen Komponenten im Fahrzeugbau haben sich Kabelbäume einer vollständig automatisierten Fertigung bisher entzogen. Das stellt die Fahrzeughersteller vor Probleme, denn die manuelle Kabelbaumfertigung ist mit vielen Nachteilen behaftet:  

1. Der manuelle Prozess selbst: Von Hand hergestellte Kabelbäume werden immer komplexer und teurer in der Herstellung.
2. Komplexität und Risiko der Lieferkette: Da die Fertigung arbeitsintensiv ist, werden Kabelbäume in Ländern mit niedrigen Arbeitskosten hergestellt. Die Endmontage findet jedoch Tausende von Kilometern entfernt statt. Dies erhöht die Transportkosten, die Komplexität und das Risiko in der Lieferkette. Der Krieg in der Ukraine, wo viele Kabelbäume vor allem für europäische Automärkte hergestellt wurden, zerstörte die Lieferketten und drosselt den gesamten Fahrzeugabsatz.
3. Notwendigkeit einer 100%-Prüfung: Jeder Schaltkreis muss in jedem manuell hergestellten Kabelbaum getestet werden, da der Prozess so fehleranfällig ist. Bei der automatisierten Verkabelung wären aufgrund der erreichbaren gleichbleibenden Qualität eher nur Stichprobentests erforderlich.
4. Die Notwendigkeit, zu viel zu bestellen: Qualitätsprobleme kommen so häufig vor, dass einige Führungskräfte von Fahrzeugherstellern argumentieren, sie müssten deutlich zu viel bestellen, um sicherzustellen, dass sie über einen ausreichenden Bestand mit akzeptabler Qualität verfügen. Da jeder Kabelbaum bei einem Mittelklasse-EV etwa 1.000 bis 2.000 US-Dollar kostet, stellt dies eine erhebliche Verschwendung dar.
5. Notwendigkeit einer Überspezifikation: Jeder herkömmliche Kabelbaum muss isolierte Drähte verwenden, um Kurzschlüsse zu verhindern, was das Gewicht und die Kosten der Isolierung erhöht. Außerdem müssen die Kabel oft schwerer sein, als es die elektrischen Anforderungen vorgeben, damit sie den physikalischen Belastungen standhalten, die bei der Montage und beim Fahren auftreten. Wenn einem Elektrofahrzeug unnötiges Gewicht hinzugefügt wird, verringert sich seine Reichweite. Eine kürzere Reichweite bedeutet, dass Nutzer erwarten, weniger für ihr Fahrzeug zu bezahlen.
6. Nacharbeit während der Montage: Qualitätsprobleme treten auf, wenn Kabelbäume während der Endmontage manuell gebogen und verdreht werden.
7. Garantiereparaturen und Fahrzeugrückrufe: Die Bearbeitung von Garantieansprüchen ist teuer und Fahrzeugrückrufe noch teurer. Im Jahr 2022 berichtete CNET, dass Nissan fast 700.000 fehlerhafte SUVs der Baujahre 2014–2016 wegen Brandgefahr zurückrufen musste. Das Problem wurde durch einen schlecht abgedichteten Steckverbinder verursacht. Im selben Jahr gab die US National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) bekannt, dass Probleme mit elektrischen Systemen für 20 % aller Fahrzeugrückrufe verantwortlich sind.
8. Reputation der Marke: Die Kosten für den Ruf der Marke bei Fahrzeugrückrufen sind unkalkulierbar, können aber mehrere zehn Millionen Dollar betragen.

Vor diesem Hintergrund kam eine vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung finanzierte und im März 2023 veröffentlichte Studie zu dem Schluss, dass der Mangel an Automatisierung in der Kabelbaumindustrie trotz vielfältiger Ansätze immer noch den größten Mangel darstellt. „Trotz Forschungserfolgen und Patenten wurde unseres Wissens keine dieser Lösungen in der Praxis umgesetzt und der hochmoderne Herstellungsprozess ist immer noch sehr arbeitsintensiv.“

Bei näherer Betrachtung werden die Grenzen der bisherigen Versuche einer automatischen Kabelbaumfertigung deutlich. Die meisten Automatisierungsmaschinen bündeln lediglich die Kabel und befestigen in manchen Fällen Stecker an den Drahtenden. Es muss zwangsläufig noch viel Handarbeit geleistet werden – und die meisten problematischen Aspekte, darunter das Gewicht, die Zerbrechlichkeit und die Länge der Lieferketten, bleiben bestehen.

Ein neues hybrides additives Fertigungs- und Automatisierungsverfahren, das von dem britischen Unternehmen Q5D entwickelt wurde, verspricht nun einen deutlich höheren Automatisierungsgrad. Eine „Roboter-/Fertigungszelle“ für die Automatisierung elektrischer Funktionen ermöglicht den vollständigen oder teilweisen Ersatz herkömmlicher Kabelbäume. Dadurch erübrigen oder verringern sich manuelle Prozesse zum Anbringen elektrischer Leiter – von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge bis hin zum Infotainmentsystem.

So funktioniert die Lösung: Ein 5-Achs-Präzisionsroboter mit austauschbaren Werkzeugen kann 3D-Polymer-Elemente auf Metall-, Keramik- oder Polymeroberflächen anbringen. Er kann komplexe Formen bearbeiten, blanke oder isolierte Drähte hinzufügen und elektrische Anschlüsse anbringen, um die Komponente funktionsfähig zu machen. Der Roboter kann Drähte mit einem Leiterdurchmesser von bis zu 3 mm verlegen, was etwa 13 AWG entspricht. Jeder Leiter kann so mehr als 20 A Strom übertragen, was nicht nur für schwache Signale, sondern auch für Funktionen wie die Stromversorgung von Relais oder Lüftern ausreicht.

Die Verankerung der einzelnen Drähte auf einem Untergrund/Substrat ist schnell, kostengünstig und flexibel. Das Substrat kann die Komponente selbst sein, z. B. ein Batteriepack, oder ein spezielles Teil, das die Verkabelung für die spätere Befestigung an der Komponente trägt. Da jeder Draht einzeln befestigt ist, kann auf eine Isolierung zum Teil verzichtet werden, was Kosten und Gewicht spart. Darüber hinaus sind die Verbindungen aufgrund ihrer sicheren Positionierung weitaus weniger anfällig für Umgebungseinflüsse und mechanische Schäden.

Die fertigen Produkte oder Komponenten mit integrierter Verkabelung eignen sich auch für die robotergestützte Endmontage. Durch den geringeren Arbeitsaufwand ist damit eine kostengünstige Fertigung an viel mehr Orten möglich. Dadurch lassen sich Risiken in der Lieferkette vermeiden, da die Integration elektrischer Leiter und Komponenten gleichzeitig mit der Endmontage der Fahrzeuge erfolgt.

Im Fahrzeugbau, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, wird die automatisierte Fertigung eines Großteils des Kabelbaums nicht nur die Produktivität steigern. Auch die Größe und das Gewicht von Unterbaugruppen und ihren Einzelteilen werden sich reduzieren. Herstellungsprozesse werden sich verlagern. Dies erhöht die Fahrzeugzuverlässigkeit, die Garantie- und Rückrufkosten sinken und der Ruf der Marke – in deren Aufbau die Autohersteller so viel investieren – wird geschützt. Die hier beschriebenen 5-Achsen-Fertigungs-/Roboterzellen werden derzeit bei einigen global tätigen Fahrzeugherstellern evaluiert und sollen innerhalb der nächsten 12 bis 18 Monate in Produktionslinien für Elektrofahrzeuge integriert werden.