Lineares Reibschweißen im großen Maßstab

Die lineare Reibschweißmaschine sieht möglicherweise nicht so imposant aus, wie ihre Abmessungen vermuten lassen, da sie größtenteils in einer tiefen Grube steht.

Wir alle können es ertragen, ein wenig Gewicht zu verlieren, und bei den US-amerikanischen Herstellern ist das nicht anders. Dies erklärt das wachsende Interesse an der „Leichtgewichtung“ bestimmter Produkte.

Das Interesse ist nicht schwer zu verstehen: Entlastet man ein Flugzeug, ein Schiff oder ein Fahrzeug, benötigt der Endverbraucher nicht mehr so ​​viel Treibstoff, um das Transportmittel anzutreiben. Selbst angesichts der Kraftstoffkosten, die unter historischen Höchstwerten liegen, ist jeder an Kosteneinsparungen interessiert, wo er sie erzielen kann.

Die Untersuchung des Leichtbaus hat weitere Vorteile. Neue, kostengünstigere Materialien werden untersucht, um zu sehen, ob sie die gleiche Leistung wie seit langem verwendete Materialien bieten können. In einigen Fällen können diese Alternativen sogar noch bessere Leistungseigenschaften aufweisen als die herkömmlichen Materialien, die sie ersetzen könnten. Außerdem wird an neuen Technologien zum Gießen, Wärmebehandeln, Formen/Formen, Verbinden und Beschichten dieser neuen Materialien geforscht.

Das in Detroit ansässige Unternehmen Lightweight Innovations for Tomorrow (LIFT) ist bei dieser Leichtbauforschung führend. Es wurde als Ergebnis eines Konsortiums gegründet, das im Februar 2014 ein Programm des Verteidigungsministeriums gewann. Das American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute, bestehend aus der gemeinnützigen Fertigungstechnologie-Organisation EWI, der University of Michigan und der Ohio State University, richtete sein 100.000 Quadratmeter großes Institut ein -foot-Anlage fast ein Jahr später und gab offiziell seinen Namen LIFT bekannt. Seitdem arbeitet die Organisation daran, den Transfer neuer Fertigungstechnologien vom Forschungslabor in die Produktion zu beschleunigen.

LIFT hat seine Forschungsbemühungen kürzlich erheblich erweitert, und dieses neue Werkzeug verspricht einen enormen Einfluss auf die Art und Weise, wie bestimmte große Metallteile hergestellt werden.

LIFT installiert in seinem Werk in Detroit eine der vermutlich weltweit größten linearen Reibschweißmaschinen (LFW). Tatsächlich sagte Alan Taub, ehemaliger Chief Technology Officer von LIFT und jetzt leitender technischer Berater von LIFT, dass das Hochregallager, das 2016 gebaut wurde, unter Berücksichtigung dieser Ausrüstung gebaut wurde.

„Wir haben Branchenunternehmen, die wir unsere Gold- und Silbermitglieder nennen, und wir haben über einen Zeitraum von 18 Monaten Umfragen mit ihnen durchgeführt“, sagte Taub. „Wir fragten sie, zu welcher Art von Ausrüstung sie keinen Zugang hatten und was sie gerne in unserer Einrichtung sehen würden.“

Das Ergebnis ist eine Maschine, die 122.000 Pfund wiegt, etwa das gleiche Gewicht wie eine Boeing 737. Ein Großteil der Maschine befindet sich in einer 15-Fuß-Grube, die gleichzeitig mit dem Bau des Hochregallagers ausgehoben wurde. Es hat eine Größe von 22 x 8 x 14 Fuß. Umschlag, der einige sehr große Teile verbinden kann.

„Das ist keine neue Technologie“, sagte Hadrian Rori, Chief Technology Officer von LIFT. „Es wird im Laufe der Jahre für andere Fügeverfahren und in der Forschung eingesetzt. Das Besondere an dieser Maschine ist, dass sie den größten Spielraum für die Feinabstimmung einiger dieser Prozesse bietet.“

MTI Welding, South Bend, Indiana, baute die Ausrüstung für LIFT. Das Unternehmen ist Hersteller von Reibschweißgeräten für andere Hersteller und bietet auch Auftragsfertigungsdienstleistungen an. Einige LFW-Maschinen gehören großen Luft- und Raumfahrtunternehmen in Nordamerika, und andere Maschinen auf der ganzen Welt werden hauptsächlich für Forschungs- und Entwicklungszwecke verwendet. Es wird angenommen, dass keines so groß ist wie die LIFT-Ausrüstung.

Eine der vermutlich größten linearen Reibschweißmaschinen der Welt wird an die Lightweight Innovations for Tomorrow-Anlage in Detroit geliefert.

Warum also Reibschweißen für diese Leichtbauanwendungen? Der Prozess erzeugt eine Verbindung, die so stark ist wie das Grundmaterial, ohne die Verformung, die normalerweise mit Schmelzschweißtechnologien und ihren großen Wärmeeinflusszonen verbunden ist. Darüber hinaus vermeidet diese Verbindungsmethode andere Nachteile des konventionellen Schmelzschweißens wie Schrumpfung, Erstarrungsrisse und Porosität.

Im weitesten Sinne ähnelt Reibschweißen jeglicher Art eigentlich eher dem Schmieden. Durch Relativbewegung und hohe Kräfte wird Reibungswärme an der Schweißnahtschnittstelle erzeugt. Wenn dies geschieht, wird das Metall plastifiziert, schmilzt also nicht unbedingt, ist aber dennoch anfällig für Veränderungen an der Oberfläche. Das Ergebnis ist eine molekulare Durchmischung an der Schweißnahtschnittstelle und eine Verbindung in Schmiedequalität.

Wenn es um bestimmte Arten des Reibschweißens geht, dürfte den meisten Herstellern das Reibrührschweißen am vertrautesten sein, bei dem ein an einer Spindel befestigtes, nicht verbrauchbares Stiftwerkzeug in die Verbindung zwischen zwei eingespannten Metallstücken eingeführt wird. Wenn das rotierende Stiftwerkzeug, begleitet von einer gleichmäßigen Abwärtskraft, in den Schweißpfad zwischen den Metallteilen eingreift, „rührt“ es das Metall zusammen und erzeugt die plastische Verformung, aus der die neue Verbindung entsteht.

Beim LFW wird ein Metallteil stationär gehalten, während das andere auf einer linearen Bahn schwingt. Diese lineare Bewegung erzeugt die erforderliche Kraft, um Teile mit unterschiedlichen Geometrien an der Schweißschnittstelle zu verbinden.

Taub sagte, diese Kraft sei der Grund, warum LIFT eine so große LFW-Maschine spezifizieren musste. Die Kräfte, die zum Erzeugen der für das Reibschweißen großer Metallkomponenten erforderlichen Bewegung erforderlich sind, erfordern eine Maschine mit erheblicher Masse – wenn erwartet wird, dass die Maschine während des Prozesses an Ort und Stelle bleibt.

Eines der aktuellen Projekte, die an der neuen LFW-Maschine untersucht werden, betrifft Blisks, Strahltriebwerkskomponenten, die sowohl eine Rotorscheibe als auch Schaufeln umfassen. Jeder, der in letzter Zeit mit dem Flugzeug geflogen ist, kann Ihnen sagen, dass Blisks ziemlich groß sein können.

Traditionell werden diese Artikel aus einem einzigen Materialstück gefertigt. Bei Titan handelt es sich um eine sehr kostspielige Operation.

Taub sagte, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie ihr „Fly-to-Buy“-Verhältnis verbessern möchte. Wenn das Luft- und Raumfahrtunternehmen einen riesigen Titanbarren kauft, der dann bearbeitet wird, um eine Blisk herzustellen, landet der größte Teil seines ursprünglichen Kaufs in Form von Spänen im Schrott. Die Fly-to-Buy-Ratio könnte bei 20 Prozent liegen.

Die LFW-Ausrüstung gibt einem Luft- und Raumfahrtunternehmen eine bessere Chance, eine endkonturnahe Form zu erzeugen, die dann bearbeitet werden kann. Kleinere Titanteile können durch lineares Reibschweißen mit einem größeren stationären Teil verbunden werden. Das Endergebnis ist eine Form, die der Blisk näher kommt, was bedeutet, dass das Luft- und Raumfahrtunternehmen nicht so viel für seine Titanrohlinge zahlt.

LFW ermöglicht auch die Verwendung verschiedener Metalle, die mit herkömmlichen Schweißmethoden nicht kompatibel wären. Konstrukteure können Metallkombinationen in Betracht ziehen, die starke Leistungseigenschaften bieten und kostengünstiger sind als Materialien, die normalerweise für solche Anwendungen spezifiziert werden.

Rori sagte, die neue LFW-Maschine sei für die Bearbeitung großer und „einzigartiger“ Formen ausgelegt. Die Stößel, die die Werkzeuge halten, an denen die Metallteile befestigt werden, sind leicht versetzt. Sie sehen fast aus wie C-Klemmen. Dieses Design bietet Platz für eine Vielzahl großer und unhandlicher Formen.

Taub sagte, die neue Ausrüstung sei bereit und qualifiziert, auch mit verschiedenen Stahllegierungen zu arbeiten. Dies war notwendig, um auch andere Hersteller außerhalb der Luft- und Raumfahrtindustrie zu erreichen.

„Wir wollen diese Technologien weitergeben und mit unseren Partnern einiges davon an andere Leute weitergeben, die sonst vielleicht nicht in der Lage wären, Teil dieser Technologieentwicklung zu sein“, sagte Rori.

Fotos mit freundlicher Genehmigung von Lightweight Innovations for Tomorrow, https://lift.technology.

MTI Welding, www.mtiwelding.com