Roboter-FSW sorgt für Aufsehen bei der Produktionseffizienz von Elektrofahrzeugen

Es gibt Maschinen, die ausschließlich für das Reibrührschweißen (FSW) bestimmt sind, andere kombinieren FSW mit konventioneller subtraktiver CNC-Bearbeitung. Robotic FSW ist eine etwas andere Sicht auf die Technologie; Es umfasst einen 6-Achsen-Roboter, adaptive Spannvorrichtungen und spezielle Software. Diese Systeme sind vergleichsweise kompakt und bieten vor allem mehr Flexibilität hinsichtlich der Größe und Konfiguration der Anwendungsteile als die anderen Formen der genannten Technologie.

Die Werkzeugbestückung ist mit robotergestütztem FSW unkompliziert und die Vorrichtung kann individuell angepasst werden, um die Vielseitigkeit und Zugänglichkeit der Werkstücke zu maximieren. Da die Werkstücke nicht in eine Maschine eingeführt werden müssen, ist das Be- und Entladen einfacher und der Roboter kann aus mehreren Seiten und Winkeln auf das Werkstück zugreifen. Eine Skalierung eines Robotersystems durch die Anschaffung einer weiteren Maschine ist nicht erforderlich; Werkstätten fügen einfach einen Roboter oder zusätzliche Vorrichtungen hinzu, um höhere Produktionsmengen zu bewältigen.

Aufgrund all seiner Verbindungsvorteile spielt der robotergestützte FSW eine Schlüsselrolle auf dem schnell wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge (EV). Eine wichtige Anwendung ist das Zusammenfügen von Gussteilen, Strangpressteilen und Aluminiumblechen zur Herstellung von Baugruppen wie Batterieträgern.

Die Wannen nehmen die Batterien des Elektrofahrzeugs auf und dienen gleichzeitig als Strukturelemente für das Fahrzeug. Darüber hinaus verfügt ein Batterieträger typischerweise über Kühlkanäle, die dicht sein müssen. Bei Fahrzeugen im Limousinenstil sind die Ablagen groß, typischerweise etwa 2 Meter lang oder mehr innerhalb des Radstands, während sie die Breite des Fahrzeugs vergrößern. Eine typische Wanne kann aus einem unteren Gussteil mit Kanälen für Kühlmittel und Behälter für Batterien bestehen, wobei an der Oberseite eine Aluminiumplatte angeschweißt ist, um sie abzudichten.

Für diesen Prozess hat KUKA Robotics seine KUKA cell4_FSW-Module so entwickelt, dass sie eine bis zu 95 Prozent höhere Prozesseffizienz bieten und die verfügbaren Konfigurationsmöglichkeiten für Hersteller von Elektrofahrzeugen maximieren. Die Effizienz der Zelle ergibt sich aus zwei Arbeitsplätzen an getrennten Einlegebereichen.

Die Zellen werden sowohl für 2D- als auch für 3D-Schweißaufgaben eingesetzt, sind skalierbar und bieten Platz für einen oder zwei 6-Achsen-Roboter. Werkstätten können im Arbeitsbereich der Zelle mehrere Werkstückspannwerkzeuge anordnen, sodass Roboter bei Bedarf gleichzeitig an größeren Bauteilen arbeiten können.

FSW wurde 1991 vom Welding Institute, Cambridge, England, patentiert und bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Schweißmethoden. FSW ist ein Verfahren mit niedrigerer Temperatur (typischerweise weniger als 500 °C in Aluminium) und minimiert Verformungen und Eigenspannungen in den Werkstücken, verbessert gleichzeitig die Ermüdungsleistung und verursacht kaum oder gar keine Beeinträchtigung der Mikrohärte des Materials.

FSW erleichtert das Schweißen langer, dünner Werkstücke und eignet sich besonders zum Verbinden von Nichteisenmetallen mit niedriger Schmelztemperatur, aber auch für Mischverbindungen wie Aluminium mit Magnesium, Kupfer oder Stahl. Da das Arbeitsmaterial nie schmilzt, weisen die resultierenden Schweißnähte keine erstarrungsbedingten Porositäten und Risse auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißnähten, bei denen Füllmaterial wie Stäbe oder Drähte verwendet wird, weist die FSW-Verbindung keine unerwünschten Phasen auf, die aus einer Mischung aus Füllmaterial und Grundmetall resultieren. Unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit verbrauchen niedrigere Temperaturen weniger Energie und der Prozess erzeugt keine Dämpfe oder Rauch, ist leise und erfordert weder Gas noch Kabelverbrauchsmaterialien.

Beim Schweißen schiebt der Roboter den rotierenden FSW-Metallstift durch die Werkstücke und behält dabei enge Toleranzen und hohe Genauigkeit bei. Daher muss ein FSW-Roboter steif und leistungsstark genug sein, um sowohl starke Vertikal- und Querkräfte als auch Drehmomente zu erzeugen und zu steuern.

Für seine Zelle setzt KUKA seinen Roboter KR 500 FORTEC ein, der auch für schwere Bearbeitungsoperationen wie Fräsen und Bohren geeignet ist. Der Roboter mit einer Nennnutzlast von 500 kg wiegt etwa 2.400 kg und hat eine Grundfläche in der Werkstatt von 1.050 mm x 1.050 mm. Durch zusätzliche Getriebe an den ersten drei Achsen kann der Roboter eine Kraft von bis zu 10.000 N (1.000 kg) erzeugen und bewältigen, mit einer Posenwiederholgenauigkeit von +/- 0,08 mm.

Die Fähigkeit eines Roboters, Bewegungen mit mehreren Achsen zu koordinieren, ermöglicht es ihm, komplexe Konturen zu schweißen, was seinen Nutzen und seine Flexibilität beim FSW erhöht. Im Allgemeinen erfordert das Verbinden zweier Werkstücke Werkzeuge, die sich dem Werkstück in einer senkrechten Richtung nähern. Wenn das Teil nicht flach ist, beschleunigt die Fähigkeit eines Roboters, sich in sechs Freiheitsgraden zu bewegen, die Befestigung und den Zugang zum Teil. Wenn ein Teil eine Lippe hat, die über das andere hinausragt, oder wenn es aufgrund eines Extrusions- oder Gussprozesses zu Abweichungen in der Verbindung kommt, kann ein Scanner, wie er beim konventionellen Schweißen verwendet wird, die Naht verfolgen, Höhenunterschiede zwischen den Teilen erkennen usw Leiten Sie den Weg des Roboters.

Herkömmliche Schweißmethoden können angepasst werden, um mehr Metall in eine Naht einzubringen, wenn der Spalt stark variiert. Andererseits ist FSW aufgrund der hohen Toleranzanforderungen an die Teile nicht so fehlerverzeihend wie herkömmliches Schweißen. Dennoch kann KUKA die Teile analysieren, die Werkzeuge entwickeln und entsprechende Toleranzanforderungen für ein spezifisches Projekt festlegen.

Das rotierende FSW-Werkzeug besteht aus einem Schaft mit einem hervorstehenden Stift, der von einer verlängerten radialen Schulter umgeben ist. Bei einigen Werkzeugkonstruktionen rotieren der Stift und die Schulter zusammen, KUKA verwendet jedoch ein FSW-Werkzeug (SSFSW) mit stationärer Schulter, da dieser Ansatz tendenziell weniger Wärme in den Prozess einbringt und daher die Verformung des Schweißergebnisses minimiert. Das Design trägt dazu bei, die Naht zu stützen und die Schweißkräfte zu kontrollieren, und es kann die Oberflächenbeschaffenheit der fertigen Naht verbessern.

Für eine präzise Schweißnahtführung bietet die KUKA FSW-Software eine Positionierungsgenauigkeit von bis zu 0,5 mm mit lasergestützter Bahnkalibrierung, um Bahnabweichungen durch unterschiedliche Steifigkeiten im Arbeitsbereich und Prozesskräfte auszugleichen. Während der Roboter arbeitet, sorgt die KUKA Process Control and Documentation (PCD)-Software für eine Systemüberwachung und -dokumentation in Echtzeit mit numerischen und grafischen Überwachungssteuerungen, die alle Schweißparameter für kontinuierliches FSW aufzeichnen. Die Ergebnisse sind stets zuverlässig und reproduzierbar.

Die Geschwindigkeit, mit der die Entwicklung von Elektrofahrzeugen derzeit voranschreitet, bedeutet, dass viele Technologien zum Einsatz kommen, um die Produktion zu beschleunigen und die Genauigkeit zu verbessern. FSW wird in Konfigurationen wie der hier beschriebenen zweifellos eine wichtige Rolle spielen.

KUKA Robotics, www.kuka.com