MMC Magazine

Gemeinsame Entwicklung innovativer Drallräumnadeln

Aisin AW Co., Ltd. hält den Löwenanteil im weltweiten Markt für Automatikgetriebe. Die Arbeit des Unternehmens an der Verbesserung der Bearbeitungstechnologien unter Einsatz von Drallräumnadeln mit großen Durchmessern brachte drastische Effizienzverbesserungen bei der Herstellung von Automatikgetrieben. Dieser Artikel stellt ein neues Projekt von Aisin AW und Mitsubishi Materials dar.

Entschlossen, die Position als weltweite Nummer eins unter den Herstellern von Automatikgetrieben zu behaupten und führend in der Entwicklung im Automobilbereich zu bleiben

Aisin AW Co., Ltd. wurde 1969 als Hersteller von Automatikgetrieben gegründet. Sie ist eine Tochter der Aisin Seiki Co., Ltd. und eines der sechs größten Unternehmen der Aisin Group. Seit der Entwicklung des Dreigang-Automatikgetriebes mit Frontmotor und Heckantrieb (FR) im Jahr 1972 hat Aisin AW fortlaufend Produkte entwickelt, die Markttrends visionär vorwegnahmen. Nach der Vermarktung des ersten Achtgang-Automatikgetriebes des Typs FR im Jahr 2006 brachte das Unternehmen im Jahr 2012 ein Achtgang-Automatikgetriebe für Frontantrieb (FF) auf den Markt und behauptete damit in der Branche seine Stellung als führender Hersteller von Automatikgetrieben weltweit. 

Im Bilanzjahr 2016 erreichten die Verkäufe 1,2 Bio. Yen. 90% davon gehen auf das Konto der Automatikgetriebe. Ca. 38% der von Aisin AW hergestellten Automatikgetriebe gehen an die Toyota Group. Der Rest wird an mehr als 50 Automobilhersteller in 15 verschiedenen Ländern geliefert. 2012 überstieg die kumulative Produktion von Automatikgetrieben die 100-Mio.-Grenze. Als weltweit führender Hersteller von Automatikgetrieben behält Aisin AW auch die zukünftigen Entwicklungen im Mobilitätsbereich im Auge und treibt die Entwicklung von Elektronikkomponenten voran. Im Jahr 2004 führte dies zur erfolgreichen Massenproduktion eines Hybridsystems vor allen anderen Herstellern. „Wir möchten ein Fahrzeug schaffen, dass sich nahezu intuitiv bedienen lässt und den Fahrer inspiriert.“ Durch dieses Engagement ist Aisin AW weiterhin führend bei der Entwicklung von Automatikgetrieben, welche die Erwartungen des Marktes erfüllen und sie sogar übertreffen. 

Das Technikzentrum von Aisin AW entwickelt Technologien der neuesten Generation

as Aisin AW Technical Centre besitzt ein innovatives Herstellungssystem, das ungehinderte Informationsweitergabe und Kooperation zwischen Abteilungen in den Bereichen Engineering (Konstruktion) und Manufacturing (Produktionstechnik) möglich macht. Das Technical Centre wurde im Jahr 2011 errichtet und integriert alle Abteilungen, die sich mit technischen Entwicklungen für die Vermarktung von Automatikgetrieben, stufenlosen Getrieben (continuously variable transmissions, CVT) und Hybridgetrieben beschäftigen, die an verschiedenen Standorten hergestellt werden.

In dem Zentrum arbeiten ca. 3000 Mitarbeiter an der Erweiterung der technischen Entwicklungskapazität  durch den Einsatz eines innovativen Systems, das alle Phasen der Entwicklung eines neuen Produkts vollständig integriert, von der Planung bis zur Herstellung. Das Zentrum ist der Ort, an dem Aisin AW seine DNA an die nächste Generation von Innovatoren weitergeben kann. Es will ein lebendiges, menschliches Netzwerk unterhalten, in dem kontinuierlich neue Produkte entwickelt werden können. Das Aisin AW Technical Centre ist optimal für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EV) gerüstet. Shinya Sugiura, General Manager der Abteilung Tool Engineering des Geschäftsbereichs Manufacturing Engineering: „In Zukunft werden mehr EV zum Einsatz kommen, und die Länder bereiten sich auf die Umsetzung strengerer Gesetze um das Jahr 2020 herum vor. Als führender Teilehersteller bereiten wir uns ebenfalls darauf vor.“ Aisin AW hat die Entwicklung neuer Systeme eingeleitet, die sicherstellen sollen, dass das Unternehmen für die neue EV-Ära bereit ist. 

In den Produktionsstandorten halten sich Probleme und Stückzahlen die Waage

Aisin AW beliefert Hersteller weltweit, aber der größte Einzelkunde des Unternehmens ist die Toyota Group, mit 40% der Gesamtverkäufe. Aisin AW wurde als Joint Venture zwischen Aisin Seiki und dem amerikanischen Automobilteilehersteller Borg Warner gegründet. Daher stammt das „W“ in Aisin AW. Die amerikanische Kultur ist tief in dem Unternehmen verwurzelt. Harumichi Nakagawa, Group Manager der Tool Engineering Group 1 in der Abteilung Tool Engineering des Geschäftsbereichs Manufacturing Engineering: „Ich finde immer noch Zollbemaßungen in alten Zeichnungen.“

Der Fahrzeughalter sieht Automatikgetriebe zwar meistens nicht, sie sind aber genauso wichtig wie der Motor und genauso kompli-ziert. Dafür sorgen die Planetenzahnräder, die einen sanften Betrieb möglich machen. Die drei am häufigsten zum Einsatz kommenden Werkstoffe bei der Herstellung von Getrieben sind Aluminium für das Gehäuse, Stahl für die Zahnräder und Wellen sowie Gusseisen für die Ölpumpe und die Differenzialgehäuse. Jedes hat einzigartige Eigenschaften und stellt die Produktion vor unterschiedliche Herausforderungen. Ein Automatikgetriebe enthält Tausende von Teilen, die für den sanften und geräuscharmen Betrieb eines Fahrzeugs unverzichtbar sind. Bei der Herstellung von Automatikgetrieben mit derart vielen Teilen stehen die hochkompetenten Ingenieure bei der Konstruktion und Entwicklung jedes Teils erneut vor der Aufgabe, in nachfolgenden Schritten nicht zusätzliche Probleme für andere Abteilungen zu schaffen. Aber es ist genau diese kreative Energie, die am Ende zum bestmöglichen Produkt führt. Schritt für Schritt nimmt jedes Automatikgetriebe in einem minutiösen Herstellungsprozess Gestalt an. Die Leute in der Entwicklung können viele Geschichten aus der Teileentwicklung erzählen. 

Shogo Itoh aus der Abteilung Material and Equipment Purchasing (Einkauf Werkstoffe und Anlagen) des Geschäftsbereichs Purchasing (Einkauf) der Gruppe Subsidiary Material Purchasing (Einkauf Hilfsstoffe): „Nach dem Motor ist das Getriebe das zweitteuerste Teil eines Autos. Es verbindet Motor und Fahrer. Und je höher ein Fahrzeug in der Oberklasse angesiedelt ist, desto wichtiger wird eine geringe Geräuschentwicklung. Automatikgetriebe waren vor 20 Jahren noch einfache Dreigangeinheiten. Heutzutage haben sie bis zu acht oder sogar zehn Gänge. Um die für dieses Leistungsniveau erforderliche Anzahl an Zahnrädern in dem begrenzten Raum unterzubringen, muss die Herstellungsgenauigkeit höher sein als jemals zuvor. Diese Genauigkeit erfordert wiederum Zerspanungswerkzeuge von höchstmöglicher Leistung und Qualität.“ 

Die größte Herausforderung bei der Herstellung von Automatikgetrieben besteht darin, dafür zu sorgen, dass alle Zähne der Zahnräder genau die konstruktiv vorgegebenen Toleranzen einhalten. Mit diesem Ziel arbeiten Automatikgetriebe-Hersteller und Werkzeughersteller wie Mitsubishi Materials eng bei der Entwicklung neuer Bearbeitungsmethoden und Zer-spanungswerkzeuge zusammen.

Die maschinelle Bearbeitung ist der abschließende Prozess und hat erheblichen Einfluss auf Kraftstoffverbrauch und Geräuschentwicklung

Bei der Herstellung von Automatikgetrieben werden viele Prozesse durchlaufen. Shinya Sugiura: „Dem Prozess der maschinellen Bearbeitung fällt die Schlüsselrolle zu, denn die Maßhaltigkeit des Zahnrads, des Herzstücks eines Automatikgetriebes, hängt vom Zerspanungsprozess ab.“ Wenn bei einem Teil die spanabhebende Bearbeitung nicht korrekt durchgeführt wurde, setzt das Automatikgetriebe nicht sein volles Potenzial um. Man kann ohne Übertreibung sagen, dass die Prozesstechnologie bei der spanabhebenden Bearbeitung Herstellern von Automatikgetrieben neue Möglichkeiten der Wertschöpfung erschließt. „Die Leistung eines Automatikgetriebes hängt von der Genauigkeit der maschinellen Bearbeitung ab. Das Resultat dieses Prozesses wirkt sich deutlich auf den Kraftstoffverbrauch und die Geräuschentwicklung aus“, weiß Noto Hattori, Teamleiter der Tool Engineering Group 1. 

Werkzeugtyp, Bearbeitungsverfahren und die verwendete Beschichtung richten sich nach der Qualität der Werkstoffe und den erforderlichen maschinellen Bearbeitungsgängen. Die Anzahl der möglichen Kombinationen ist endlos. „Es gibt mir ein gutes Gefühl, wenn ich die beste Kombination finde. Dazu gehören auch Rahmendetails, wie das optimale Zerspanungsöl zu finden. Es kommt oft vor, dass durch die Lösung eines einzigen Problems im maschinellen Bearbeitungsprozess die Gesamteffizienz der Herstellung steigt. Es steht außer Zweifel, dass hochentwickelte Technologie im Bereich der maschinellen Bearbeitung gut für Aisins technische Weiterentwicklung sowie die gleichbleibend hohe Qualität unserer Produkte war. Hochentwickelte Technologie für maschinelle Bearbeitung ist eine unserer wesentlichen Stärken“, sagt Shogo Ito.

Drallräumnadeln mit großen Durchmessern kommen bei der Bearbeitung von Automatikgetrieben häufig zum Einsatz. Die Anzahl der Zähne an einer Räumnadel kann in die Tausende gehen, und nur ein beschädigter Zahn macht das ganze Produkt zu Ausschuss. Hattori sagt: „Wenn wir ein Problem sehen, führt kein Weg daran vorbei, die Ursache des Mangels zu ermitteln.“ Nakagawa sagt: „Meine Arbeit in der Zahnradbearbeitung hat meine Sicht der Dinge erheblich verändert. Ich sehe jetzt die Mechanismen hinter Phänomenen im täglichen Leben, und das hat meine Lebensweise verändert. Einer meiner Kollegen sammelte Spielzeugautos. Er notierte sich sorgfältig die Lage der Motoren und Getriebe und machte sich Gedanken darüber, wie sich diese Beobachtungen in der Automobiltechnologie im Hinblick auf Gewichtsbalance und Kurvenverhalten umsetzen ließen. Ich war von seinem Interesse an Spielzeug überrascht, aber mir ist dabei auch klar geworden, wie wichtig es ist, sich über die Gründe und Ursachen selbst eines sehr kleinen Phänomens Gedanken zu machen.“

Die Entwicklung einer neuen Drallräumnadel gemeinsam mit Mitsubishi Materials

Der Trend in der Bearbeitung von Planetenringen ging in letzter Zeit weg vom Drallräumnadelverfahren und hin zum Wälzschälen. Aisin AW ließ diesen Trend nicht unbeachtet. Das Unternehmen sah nicht einfach zu, wie seine selbstentwickelten hochtechnologischen Bearbeitungsverfahren veralteten. Es legte gemeinsam mit Mitsubishi Materials ein Projekt zur Entwicklung eines neuen Drallräumnadeltyps auf. Dieses Projekt sollte die Produktivität erheblich verbessern und die Kosten so weit senken, wie es mit Wälzschälen nicht erzielbar ist.

Sugiura erklärt, warum sich die Firma für Mitsubishi Materials als Partner entschieden haben: „Ihre Einstellung zur Produktentwicklung war kompromisslos vorwärts gerichtet. Sie waren hoch motiviert zur Beteiligung an der Entwicklung eines neuen Werkzeugs. Wir waren stolz darauf, dass wir bei der Einführung der amerikanischen Räumnadel in Japan als Pionier an vorderster Stelle standen. Wir hatten das Gefühl, dass es Bestandteil unserer Mission ist, dafür zu sorgen, dass der Einsatz von Räumnadeln Zukunft hat, und dass Mitsubishi Materials aufgrund seiner großartigen Einstellung und schnellen Reaktion der beste Partner für die gemeinsame Entwicklung sein würde.“

Das Gemeinschaftsprojekt zur Entwicklung der neuen, innovativen Drallräumnadel mit großem Durchmesser „Innovative Helical Broach“ begann im Jahr 2013. „Mitsubishi Materials machte uns Einzelheiten über die Herstellung von Räumnadeln zugänglich, die normalerweise nicht an andere Unternehmen weitergegeben werden. Wir tauschten Informationen zur Konstruktion und zu Herstellungsgrundlagen aus, um das Gemeinschaftsprojekt voranzutreiben. Wir arbeiteten Hand in Hand mit dem Personal des Mitsubishi-Materials-Werks in Akashi an dem Ziel, innovative Wege zu Kosteneinsparungen bei der Herstellung von Automatikgetrieben zu finden. Ich bin wirklich dankbar für ihre Kooperation und Gastfreundschaft. „Ingenieure beider Unternehmen trafen sich im Werk Akashi zu ausführlichen Gesprächen mit Zeichnungen im Maßstab 1:1. Die Zeichnungen waren zwei Meter lang, und manchmal wurden aus den Besprechungen intensive Diskussionen. Es gab durchaus unterschiedliche Meinungen darüber, wie man das Gemeinschaftsprojekt von Beginn an durchführen sollte.

„Für dieses Projekt nutzten wir das Simultankonstruktionsverfahren, das wir bei Aisin AW einsetzen. Wir banden Kollegen in die Projektschritte ein, die normalerweise erst nach Abschluss der Konstruktionsphase zu dem Prozess hinzustoßen würden. Es kommt so gut wie nie vor, dass wir mit einem externen Partner so vorgehen. Wir hofften, dass sich Mitsubishi Materials in diesem Projekt als unser Mitstreiter fühlen und gemeinsam mit uns für den Erfolg kämpfen würde“, so Sugiura. Und weiter: „Der Schlüssel zu hoher Präzision lag in der Einführung von Messtechnologie. Wir mussten besser sein als andere Hersteller. Da jedoch bei dem Ziel, Präzision und Kosten unter einen Hut zu bringen, immer Kompromisse geschlossen werden müssen, konnten gewisse Zielkonflikte zwischen den Beteiligten nicht ganz vermieden werden. Mitsubishi Materials und Aisin AW gaben aber nicht auf, bis in beiden Bereichen ein hohes Niveau erzielt worden war.“

Die Entwicklung der Drallräumnadel, eine Innovation, deren Leistung um den Faktor fünf höher liegt als konventionelle Räumnadeln

Bei der Entwicklung der neuen Drallräumnadel kamen innovative Konstruktionsweisen, Schliffe und andere Konzepte zum Einsatz. Die ursprüngliche Konstruktionsweise zielt auf maximale Werkzeugstandzeit ab. Das Polierkonzept stabilisiert den Wiederaufarbeitungsprozess, und das innovative maschinelle Bearbeitungsverfahren verbessert die Bearbeitungspräzision. Aus diesen drei Konzepten entstand eine wirklich bahnbrechende Drallräumnadel. 

„Die derzeitige Räumnadel muss einmal pro Tag ausgetauscht werden, aber diese neue Drallräumnadel hat eine Standzeit von bis zu fünf Tagen. Der Zeit- und Arbeitsaufwand für den Austausch einer Räumnadel ist 
erheblich. Außerdem steht dabei die Herstellungslinie jeden Tag für ca. anderthalb Stunden still. Ist der Werkzeugwechsel nur noch einmal alle fünf Tage erforderlich, steigt die Produktivität signifikant. Manche Leute sagen, dass die technische Entwicklung im Bereich des Wälzschälens aufgehalten wurde, weil wir diese innovative Drallräumnadel entwickelt haben. Ich bin da aber anderer Meinung. Wären die beim Räumen geltenden Einschränkungen unverändert geblieben, müssten wir die Latte beim Wälzschälen jetzt nicht so hoch legen. Da der Räumprozess jetzt diese unglaubliche Produktivität bietet, müssen wir das Wälzschälverfahren von Grund auf überdenken, damit es mithalten kann. Die Entwicklung dieser Drallräumnadel hat einen guten Einfluss auf derartige Inhouse-Abläufe. Dafür wurde ihr sogar der Manufacturing Improvement Award verliehen, ein äußerst begehrter Inhouse-Preis bei Aisin AW“, so Sugiura. 

Herr Nakagawa sagte rückblickend auf das Verfahren und das Erreichte bei der Entwicklung der Drallräumnadel: „Mitsubishi Materials reagierte schnell auf unsere Wünsche und empfing uns mit offenen Armen im Werk. Sie waren wie Weggefährten bei unserer Arbeit an der Entwicklung einer führenden Technologie. Wir engagierten uns gemeinsam für ein Ziel, und das brachte uns den Erfolg.“

Beide Unternehmen lernten voneinander, überprüften die Ergebnisse, unterstützten einander und arbeiteten gemeinsam mit voller Kraft daran, die Herausforderungen zu meistern. Mitsubishi Materials bleibt auch in Zukunft der Partner von Aisin AW und wird daran mitarbeiten, dass Aisin AW in der Automobilindustrie und bei der Gestaltung der Zukunft des Automobils weiterhin eine Führungsrolle spielt.