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Rentable et durable : des KR FORTEC soudent des boîtiers de batteries pour des voitures hybrides rechargeables

La qualité de soudage la plus élevée combinée à une technologie verte : pour les métaux non ferreux à basse température de fusion et les matériaux métalliques, le soudage par friction-malaxage - également connu sous le nom de Friction Stir Welding (FSW) - est le processus optimal. KUKA a utilisé son savoir-faire dans ce domaine pour un grand constructeur automobile et a mis en production avec succès trois cellules de soudage par friction-malaxage.


Une affaire difficile : boîtiers de batteries pour véhicules hybrides rechargeables

Beaucoup préfèrent désormais conduire un véhicule électrique au lieu d’une voiture dotée d’un moteur à combustion. Mais ce que beaucoup ignorent : une voiture électrique a besoin d’une « température de confort » - du moins les batteries. En effet, c’est lorsqu’elles ont la bonne température qu’elles fournissent une performance optimale et atteignent leur durée de vie maximum. C’est pourquoi les batteries lithium-ion doivent être refroidies pendant l’exploitation et être réchauffées lorsque la température ambiante est basse. Sur un véhicule de type hybride rechargeable en particulier, cette tâche est assurée par des systèmes de refroidissement intégrés dans le fond des supports de batterie. La fabrication de ces boîtiers est extrêmement délicate et offre donc une utilisation optimale pour procédés FSW basés sur des robots.

Friction Stir Welding : procédé de soudage pour les véhicules hybrides rechargeables

Friction Stir Welding robotisé dans la fabrication de batteries : voilà comment cela fonctionne.

Soudage par friction-malaxage pour voiture électrique hybride rechargeable

C’est ce qu’a compris un grand constructeur automobile, qui a commencé par fabriquer les boîtiers de batteries en les collant et en les vissant. Mais comme cette méthode n’a pas donné les résultats escomptés, ils se sont mis à la recherche d’une nouvelle solution sur le marché. Dans ce contexte, les boîtiers de batterie doivent répondre à des exigences strictes : la planéité des surfaces de montage des modules, l’étanchéité des trous d’extrémité et les exigences des tests de pression doivent être garanties. Avec le soudage par friction-malaxage robotisé, KUKA a proposé au constructeur automobile une méthode sûre et économique pour la fabrication de voitures électriques hybrides rechargeables, qui garantit la sécurité et la fonctionnalité des boîtiers de batteries.

Études de faisabilité pour le soudage des boîtiers de batteries

KUKA a accompagné le client de l’idée initiale à la livraison en passant par les tests. « Nous avions déjà développé des prototypes et effectué différents tests avec ceux-ci. Dans le cadre d’études de faisabilité, nous avons vérifié l’aptitude au soudage, effectué des analyses d’accessibilité et des simulations de processus. Lorsque tous les tests se sont révélés plus que satisfaisants, nous avons installé l’installation chez le client », explique Stefan Fröhlke, Senior Manager Process Solution FSW chez KUKA. La cellules de soudage par friction-malaxage KUKA cell4_FSW a été développée spécialement pour le marché croissant de l’électromobilité et propose une efficience économique exceptionnelle et un maximum de polyvalence et de possibilités de configuration, grâce à son concept modulaire.

La cellule de soudage par friction-malaxage KUKA cell4_FSW offre un rendement maximum du processus grâce à deux stations de travail.

Dans le cadre d’études de faisabilité, nous avons vérifié l’aptitude au soudage, effectué des analyses d’accessibilité et des simulations de processus. Lorsque tous les tests se sont révélés plus que satisfaisants, nous avons installé l’installation chez le client.

Stefan Fröhlke, Senior Manager Process Solution FSW chez KUKA

Avantages du soudage par friction-malaxage avec l’outillage FSW adapté

Pour fermer le système de refroidissement des modèles hybrides rechargeables, la tôle de fond est reliée au boîtier en fonte par soudage par friction-malaxage, exactement le long des canaux de refroidissement. Pour obtenir un circuit étanche à la pression qui résiste à la pression alternée, il faut une grande section d’attache et une soudure bien mélangée et comprimée. « Le soudage par friction-malaxage s’est avéré être une technologie d’assemblage appropriée, car les composants se déforment le moins possible sous l’effet de l’apport de chaleur », explique Stefan Fröhlke à propos du procédé. Pour ce faire, KUKA mise sur le soudage par friction-malaxage avec épaulement fixe (Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW). En d’autres termes : ici, contrairement au soudage par friction-malaxage classique, seule la broche à souder, placée dans un épaulement stationnaire, est en rotation. On obtient une surface de soudage plane et lisse lors du mouvement d’avance le long du cordon de soudure. Le travail de reprise d’usinage est ainsi réduit.
Le soudage par friction-malaxage est idéal pour les boîtiers de batteries d’un véhicule électrique de type hybride rechargeable.

Industrie 4.0 : saisie transparente des données de qualité

Autres avantages pour le client grâce à la cellule de soudage KUKA cell4_FSW : les robots poids lourds de la série KR FORTEC permettent de garantir une précision élevée de trajectoire sur les grandes pièces grâce à leur grande rigidité et à leur durée de vie. « En même temps, grâce à notre système de contrôle et de documentation des processus (PCD), le client peut suivre tous les paramètres essentiels du processus et faire enregistrer les données de qualité de manière transparente », souligne Till Maier, gestionnaire de gamme. KUKA a ainsi créé une base pour l’intégration de l’Industrie 4.0. De plus, l’échange simple de données avec le Remote Service de KUKA permet une aide rapide en cas de problème et évite ainsi des temps d’arrêt prolongés.

Conduire en respectant l’environnement : une technologie verte pour la voiture électrique

Ce procédé est non seulement économique et de grande qualité, mais il est également considéré comme une technologie verte. « Grâce à sa faible consommation d’énergie, le soudage par friction-malaxage est respectueux de l’environnement. De plus, il n’est pas nécessaire d’aspirer les fumées ou de prendre des mesures de protection contre l’éblouissement », explique Stefan Fröhlke. Cette combinaison de qualité, de rentabilité et de durabilité a convaincu le client.
Le procédé FSW consomme peu d’énergie et est donc également durable.

Soudage par friction-malaxage : la success story des voitures électriques se poursuit

Après une phase de prototypes et de tests, la première installation a été mise en production pour la première fois en Allemagne dès 2016 et sert depuis de modèle pour la fabrication de boîtiers de batteries de véhicules à propulsion électrique au sein du groupe. Dans le cadre de l’extension de sa capacité de soudage par friction-malaxage, le constructeur automobile a restructuré la responsabilité du processus et l’a transférée à sa filiale en Suède qui a construit un nouveau hall spécialement à cet effet. Dans la foulée, deux autres cellules de soudage par friction-malaxage ont été commandées à KUKA.

Un nouveau concept d’automatisation réduit la durée de cycle de 25%

La première cellule a déménagé en Suède en septembre 2020 et la réception préalable des deux nouvelles cellules KUKA cell4_FSW a eu lieu en mai 2021 à Augsbourg. Deux mois plus tard, en juillet 2021, les deux installations ont pu être mises en service chez le client. Les améliorations par rapport à la première cellule ont impressionné tous les participants : l’automatisation du système de serrage hydraulique complexe a permis de réduire la durée de cycle totale, y compris la manipulation des pièces, de 20 minutes auparavant à 15 minutes maintenant. En même temps, l’optimisation du système de serrage a permis d’améliorer la qualité du produit, par exemple le cordon de soudure.
Exemple d’un cordon en dents de scie pour fermer les canaux de refroidissement. Les soudures jouent un rôle important pour la voiture électrique.

Des attentes élevées en matière de soudage des alliages d’aluminium

Les exigences posées aux composants critiques pour la sécurité des boîtiers de batteries dans les voitures étaient extrêmement strictes : le cordon de soudure devait pouvoir résister à une pression d’éclatement très élevée, ce qu’un test de résistance devait démontrer. Des dispositifs de serrage spéciaux et l’outillage approprié ont dû être redéveloppés en même temps que les paramètres de soudage. Cela était réalisable exclusivement avec la technologie FSW, car il fallait souder différents alliages d’aluminium (alliage de corroyage sur aluminium moulé sous pression).
Le soudage par friction-malaxage est un procédé économique et écologique pour une voiture équipée de la technologie de recharge.

La collaboration a été très ouverte, confiante et ciblée. Le client a été surpris de la rapidité de la mise en œuvre.

Chef de projet Adel Ben Hassine, Sales & Proposal Engineering chez KUKA

Une mise en œuvre rapide a conduit à une grande satisfaction des clients

De plus, une livraison rapide dans les six mois était la condition pour l’attribution de la commande. Grâce à l’expertise de KUKA dans ce domaine, toutes les exigences ont pu être satisfaites. Le client a donc exprimé une pleine satisfaction : « La collaboration a été très ouverte, confiante et ciblée », a souligné le chef de projet Adel Ben Hassine, Sales & Proposal Engineering chez KUKA, « et le client a été surpris de la rapidité de la mise en œuvre. » En outre, un avantage a pu être obtenu en termes de durabilité : « Les outils ont été développés avec le client de telle sorte que la durée de vie des broches a entre-temps doublé. »

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