KUKA  Friction Stier Welding technology

Roboterbasiertes Rührreibschweißen für die E-Mobility

Entscheidend beim Zukunftsthema E-Mobility sind nicht nur die Reichweite und Leistungsfähigkeit der Fahrzeuge, sondern auch die ökonomische Produktion innovativer neuer Fahrzeugkonzepte.

Rührreibschweißen für die Elektromobilität

Mit seinem Prozess-Know-how beim Rührreibschweißen ist KUKA hier zum wichtigen Partner für die Automobilindustrie geworden. Denn dank dieser Technologie kann sowohl das Wärmemanagement für Batterien optimiert werden als auch die komplex gestaltete Struktur der Speichergehäuse wirtschaftlich umgesetzt werden.

E-Autos brauchen eine „Wohlfühltemperatur“ – zumindest ihre Batterien. Denn nur wenn sie richtig temperiert sind, bringen sie die optimale Leistung und erreichen die maximale Lebensdauer. Die Batterien müssen daher während des Betriebs gekühlt und bei niedriger Umgebungstemperatur erwärmt werden. In der Regel passiert das – insbesondere bei Hybridfahrzeugen – mithilfe von Kühlsystemen, die in den Boden der Batterieträger integriert sind. Die Fertigung dieser Gehäuse ist äußerst diffizil. Dank der langjährigen Erfahrungen im Rührreibschweißverfahren bringt KUKA hier wichtiges Know-how mit ein. 

Das Kühlsystem der Hybridfahrzeuge wird durch das Verschweißen eines Bodenbleches mit dem Gussgehäuse geschlossen. Dabei muss ein druckdichter Kreislauf entstehen, der dem Wechseldruck standhält. Dazu werden ein großer Anbindungsquerschnitt und eine gut vermischte und verdichtete Naht benötigt. Die Komponenten dürfen sich dabei durch den Wärmeeintrag möglichst nur gering verziehen. Als geeignete Fügetechnologie hat sich das Rührreibschweißen bewährt.

Schweißen mit der grünen Technologie

Das Verfahren eignet sich besonders bei qualitativ hochwertigen Fügeprozessen mit verschiedenen Aluminiumlegierungen und anderen Nichteisen-Metallen mit niedriger Schmelztemperatur. Beim Rührreibschweißen wird ein rotierendes Werkzeug im Verbindungsbereich der Werkstücke entlanggeführt, wodurch Reibungswärme zwischen den fest eingespannten Fügepartnern entsteht – eine robustere und belastbarere Verbindung als mit herkömmlichen Verfahren. Die Schweißnähte werden, je nach Bauteildesign, als Mäander oder Stichnähte als Überlappschweißnaht realisiert. 

Friction Stir Welding_seam
Beispiel einer Mäandernaht

Zusätzlicher Vorteil: Das Verfahren ist emissionsarm, der Energieverbrauch gering. Eine Vorbehandlung der zu fügenden Bauteile ist nicht nötig. Das Rührreibschweißen wird daher auch als grüne Technologie bezeichnet.

Friction Stir Welding_Robot
Rührreibschweißzelle für Batteriegehäuse

Prozess-Know-how in der Fügetechnik

Nicht nur bei den Kühlsystemen der Hybridfahrzeuge, sondern auch bei der Fertigung der Speichergehäuse in reinen E-Autos kommt diese Technologie vermehrt zum Einsatz. Hier nimmt das Gehäuse einen großen Bereich des Unterbodens ein und befindet sich in der Regel zwischen den Achsen. Einige Hersteller montieren die Speichergehäuse bislang separat. Neuere Konzepte beinhalten dagegen Strukturkomponenten, in die das Speichergehäuse des Fahrzeugs eingebunden wird. Diese Strukturen müssen dafür extrem steif sein. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: Rahmenprofile mit Querstreben, die mit einer Bodenplatte aus einem Aluminiumblech verschweißt werden, oder eine Bodenplatte aus zusammengeschweißten doppelwandigen Strangpressprofilen.

Bei der Anbindung der Front- und Heckbereiche an das Speichergehäuse werden vereinzelt bereits Druckgussbauteile aus Aluminium eingesetzt – was hohe Anforderungen an die Fügetechnik bei den Speichergehäusen voraussetzt. Und hier kommt wieder KUKA mit seinem Prozess-Know-how ins Spiel. Denn ideal bei diesen Anforderungen ist das Rührreibschweißen. Bei der Gestaltung der Bauteile und Fertigungseinrichtungen müssen allerdings einige Besonderheiten, wie die hohe Prozesskraft und überbrückbare Spaltmaße beachtet werden.

 

Rührreibschweißen mit fester Schulter

Um die komplexen Nähte bei Speicher- und Elektronikgehäusen zu realisieren, baut KUKA insbesondere für die Belange der Automobilindustrie auf das Rührreibschweißen mit fester Schulter (Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW), das von  ESAB lizensiert, eingesetzt wird. Dabei rotiert, anders wie beim klassischen Rührreibschweißen nur der Schweißstift in einer stationären Schulter. Durch die feste Schulter entsteht während der Vorschubbewegung entlang der Schweißnaht eine ebene, glatte Nahtoberfläche. Das wiederum reduziert den Aufwand für die Nachbearbeitung.

Friction Stir Welding_ESAB Licensed Technology
Roboterbasierte Rührreibschweißlösung

Prozesskontroll- und Dokumentationssystem

Experten sind sich sicher: Mit der wachsenden Bedeutung der Elektromobilität wird in den nächsten Jahren auch das Marktpotenzial für Fertigungsanlagen mit Rührreibschweißverfahren steigen. KUKA ermöglicht es der Automobilindustrie, dieses Fügeverfahren ökonomisch sinnvoll in den Produktionsprozess zu integrieren. Gleichzeitig können die Kunden alle wesentlichen Prozessparameter nachverfolgen und Qualitätsdaten transparent erfassen lassen. Hier hat KUKA mit einem Prozesskontroll- und Dokumentationssystem (PCD) eine Basis für die Integration von Industrie 4.0 geschaffen.

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