Đối với các nhà sản xuấtpin, hàn ma sát là công nghệ của tương lai về chất lượng và hiệu quả!

Stefan Fröhlke: Trong FSW, một công cụ quay giống như chốt được dẫn dọc theo các bề mặt tiếp xúc của bộ phận. Nhiệt ma sát làm cho vật liệu dẻo hóa và các bộ phận được kết nối với nhau. Do đó, ngay cả các vật liệu khó hàn hoặc khác loại như nhôm với magiê, đồng hoặc thép cũng có thể được hàn với nhau. Quy trình này tiêu thụ ít năng lượng và vật liệu hơn so với các quy trình hàn truyền thống.

Till Maier: Để có thể nhanh chóng thiết lập sản xuất, các nhà sản xuất nên luôn sử dụng các công nghệ mới nhất và linh hoạt nhất – như FSW dựa trên robot. Vì công nghệ này còn có tính mô-đun và có thể mở rộng, nên có thể dễ dàng thực hiện các khái niệm sản xuất linh hoạt, có thể mở rộng một cách linh hoạt khi nhu cầu tăng lên.

Till Maier: FSW vượt trội hơn so với các quy trình truyền thống ở nhiều khía cạnh. Một mặt, nó thuyết phục nhờ các đường hàn không có lỗ rỗng, có độ bền cao mà không cần giai đoạn nấu chảy – lý tưởng cho các bộ phận liên quan đến va chạm! Hiệu ứng nhiệt thấp cũng giúp giảm biến dạng, duy trì cấu trúc vật liệu và đảm bảo độ kín tốt hơn. Ngoài ra, quy trình này còn bền vững hơn vì không cần vật liệu bổ sung hoặc khí bảo vệ và FSW có thể tự động hóa một cách xuất sắc.

Stefan Fröhlke: Có, có nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Trong một nghiên cứu vào năm 2022, FSW đã được so sánh với hàn tia laser (LBW), hàn lai laser MIG (LMH) và hàn khí trơ kim loại (MIG) dựa trên các thanh ép đùn EN AW-6063 T6. Về chất lượng, FSW vượt trội hơn hẳn so với tất cả các phương pháp khác: không có bất kỳ sự bất thường bên ngoài hay bên trong nào và độ bền kéo tương đương với hàn nóng chảy. Ngoài ra, kết quả cho thấy độ kín tuyệt vời nhờ cấu trúc tốt và độ lệch tối thiểu nhờ nhiệt độ hàn thấp. Thời gian xử lý của FSW cũng ngắn hơn đáng kể so với LBW, LMH và MIG do không cần chuẩn bị mối hàn, tốc độ hàn rất nhanh và ít phải gia công lại. Kết quả về chi phí cũng rất tích cực: Giải pháp FSW dựa trên robot yêu cầu chi phí đầu tư ít hơn so với các hệ thống cổng lớn, đồng thời không cần nguyên liệu vận hành hay chuẩn bị mối hàn. Và về mặt bền vững, FSW cũng vượt trội so với tất cả các quy trình khác – tiêu thụ năng lượng ít hơn tới 80% so với MIG hoặc LBW!

Till Maier: Một mặt, chúng tôi cung cấp cho các công ty cấp 1, những công ty cung cấp cho các OEM. Nhóm khách hàng trực tiếp của chúng tôi trong lĩnh vực OEM ngày càng trở nên quan trọng: Đối với những khách hàng này, chúng tôi hoạt động như một nhà thầu tổng hợp, tức là chúng tôi cũng lo liệu toàn bộ các khâu cũng như các quy trình trước và sau đó – như mài gờ hoặc chải bề mặt hàn. Nhóm thứ ba là các viện nghiên cứu khoa học sử dụng các trạm robot R&D của KUKA để nghiên cứu các quy trình và phương pháp.

Stefan Fröhlke: Đúng vậy. Một quy trình phải được làm chủ trước khi có thể công nghiệp hóa. Chính vì vậy mà có kỹ thuật quy trình, để xác định quy trình và trước tiên là xây dựng kiến thức. Ví dụ, nhiều khách hàng mua một trạm R&D từ chúng tôi và thử nghiệm các thông số khác nhau để điều chỉnh quy trình. Điều này khác biệt đáng kể so với kinh doanh sản phẩm thông thường, trong đó người ta chỉ cần lắp đặt một sản phẩm hoàn chỉnh. Đó là lý do tại sao chúng tôi nói đến các giải pháp – và ngoài các sản phẩm, các giải pháp này còn bao gồm kinh nghiệm hàng chục năm của các chuyên gia của chúng tôi. Họ có thể thiết lập quy trình, tiến hành nghiên cứu và tìm ra giải pháp phù hợp nhất cho khách hàng. Sau đó, chúng tôi sẽ lắp ráp chúng lại với nhau. Điều này không chỉ bao gồm robot với trục chính và bộ điều khiển, mà còn bao gồm các công cụ phù hợp và thiết kế cho giá đỡ hoặc thiết bị. Chúng tôi cung cấp một gói hoàn chỉnh, bao gồm kiểm tra sơ bộ tại công ty chúng tôi và kiểm tra cuối cùng tại khách hàng. 

Stefan Fröhlke: Các bước kiểm tra đầu tiên được thực hiện trên phương diện lý thuyết: Đầu tiên, chúng tôi trao đổi về các hợp kim cần gia công và phân tích xem chúng có thể hàn được hay không. Sau đó, các nghiên cứu về khả năng tiếp cận được thực hiện dựa trên các mô hình 3D: Robot có tiếp cận được tất cả các vị trí liên quan không? Có rủi ro va chạm với các bộ phận, kẹp hoặc dụng cụ không? Sau đó là giai đoạn thử nghiệm thực tế: Các mối hàn được kiểm tra kỹ lưỡng bằng các mẫu thử nghiệm, ví dụ như các bộ phận mẫu, thông qua các phân tích trong phòng thí nghiệm, chẳng hạn như tạo ra các hình ảnh mài mòn, trong đó có thể quan sát mối hàn từ bên trong. Ngoài ra, các thử nghiệm uốn và kéo cũng được thực hiện. Quá trình này diễn ra theo các giai đoạn, tương tự như vòng loại trực tiếp trong thể thao: Ở mỗi giai đoạn, chúng tôi kiểm tra xem tất cả các thông số kỹ thuật và yêu cầu chất lượng có được đáp ứng hay không. Ngay cả sau khi tất cả các thử nghiệm đã thành công và hệ thống có thể được cấu hình phù hợp, chúng tôi vẫn không bỏ mặc khách hàng: Sau khi nghiệm thu, chúng tôi sẽ lo việc đào tạo nhân viên. Và nếu sau này, khi hệ thống đang vận hành, có vấn đề hoặc thắc mắc về kỹ thuật quy trình, chúng tôi cũng sẽ tiếp tục tư vấn và hỗ trợ.

Stefan Fröhlke: Cấp độ cơ bản trước tiên là khóa đào tạo về robot tại KUKA College. Tại đây, chúng tôi cung cấp các khóa đào tạo khác nhau tùy theo vai trò và nhiệm vụ, ví dụ như cho người vận hành hoặc người điều khiển hệ thống. Khóa đào tạo cơ bản này có thể được bổ sung bằng khóa đào tạo về quy trình FSW, kéo dài từ hai đến ba hoặc năm ngày. Khóa đào tạo này tập trung vào các đặc điểm của quy trình: Tôi cần chú ý điều gì trong quá trình sản xuất? Các điều kiện, tiêu chí và thông số kỹ thuật là gì? Làm thế nào để thiết lập quy trình? Kiểm soát quy trình và chất lượng đáng tin cậy hoạt động như thế nào? Về cơ bản, chúng tôi có thể tổ chức tất cả các khóa đào tạo tại Augsburg hoặc tại cơ sở của khách hàng trên toàn thế giới – và đáp ứng rất cụ thể các điều kiện riêng của từng khách hàng.

Till Maier: Về cơ bản, chúng tôi có ba giải pháp trong danh mục robot của mình: Thứ nhất là KR FORTEC ultra mới trong phiên bản MT với tải trọng 300 kg và tầm với lên đến 2.800 mm (KR 300 R2800-2 MT). Chúng tôi cung cấp robot này như một mô-đun ứng dụng 3D dựa trên robot đa năng cho các ứng dụng FSW 2D và 3D phức tạp. Tiếp theo là trạm FSW mô-đun KUKA cell4_FSW midsize single kết hợp với robot nêu trên cho các ứng dụng cỡ trung bình với công suất xử lý tối đa, chẳng hạn như vỏ pin HEV. Và cuối cùng là trạm FSW KUKA cell4_FSW large dual, cũng với robot nêu trên, cho các ứng dụng lớn với công suất xử lý cao nhất, ví dụ như vỏ pin BEV. Các trạm robot FSW của chúng tôi được phát triển đặc biệt cho thị trường e-mobility đang phát triển. Chúng có cấu trúc mô-đun và do đó có thể mở rộng cho các quy mô sản xuất khác nhau, tức là rất linh hoạt với nhiều tùy chọn cấu hình khác nhau.

Stefan Fröhlke: KR FORTEC ultra MT của chúng tôi không phải là một máy pick-and-place thông thường, mà là một biến thể MT, tức là Machine-Tooling đặc biệt. Các trục 1 đến 3 đã được tối ưu hóa bằng các bộ truyền động và động cơ đặc biệt, cho phép lực xử lý cực lớn lên đến 12 kilonewton và trong một số trường hợp thậm chí còn cao hơn. Nhờ cánh tay kép mới và dữ liệu máy mới, KR FORTEC ultra MT cực kỳ cứng cáp và được phát triển đặc biệt cho quy trình FSW. Khả năng tạo ra lực lớn với độ chính xác lặp lại cao giúp chúng tôi khác biệt với các nhà sản xuất robot khác – KUKA là một trong những nhà tiên phong tuyệt đối trong lĩnh vực này. Ngoài ra, các công cụ riêng lẻ trên robot và các thiết bị kẹp cũng được bổ sung theo yêu cầu của khách hàng.

Till Maier: Có rất nhiều lựa chọn về các công cụ FSW khác nhau – từ công cụ truyền thống, trong đó cả vai và trục quay, đến vai cố định, trong đó chỉ có trục quay, đến công cụ bobbin và nhiều loại đặc biệt khác . KUKA rất tích cực tham gia vào việc phát triển các công cụ FSW, thiết kế các hình dạng công cụ mới hoặc nghiên cứu cơ chế mài mòn. Chúng tôi đang nghiên cứu các lớp phủ để tăng độ bền của công cụ và kéo dài tuổi thọ của chúng, đồng thời thực hiện các dự án phát triển chung với các nhà cung cấp của chúng tôi để tìm ra các vật liệu mới có tỷ lệ giá cả-hiệu suất tối ưu. Theo kinh nghiệm của chúng tôi, các công cụ hàn có vai cố định là giải pháp tốt nhất. Chúng cho phép chất lượng hàn cao và đảm bảo bề mặt hàn mịn, đồng đều, giúp giảm đáng kể công sức gia công lại.

Stefan Fröhlke: Rõ ràng là: KR FORTEC ultra MT mới của chúng tôi cũng như KR 500 MT đã được sử dụng rộng rãi của chúng tôi đủ cứng và đồng thời có độ chính xác cao, đồng thời nhờ động cơ mạnh hơn, chúng có đủ công suất cần thiết để thực hiện FSW một cách chính xác cho hầu hết các ứng dụng trong lĩnh vực điện động. Ngoài ra, chúng tôi còn phát triển một loại hệ thống hiệu chuẩn đường đi cho nó. Nhờ đó, chúng tôi có thể đo vị trí của nó trong toàn bộ quá trình hàn bằng máy theo dõi laser, phản ứng trực tuyến theo thời gian thực và giữ robot đi đúng hướng. Nhờ độ chính xác đường đi dưới 0,5 mm, có thể thực hiện các đường hàn có độ chính xác cao. Tóm lại: Hệ thống robot này hoàn toàn có thể chịu được lực lớn trong quá trình FSW.

Till Maier: Với KR FORTEC ultra MT mới, chúng tôi đã nâng tầm hơn nữa, vì nó có thể tạo ra lực xử lý thêm lên đến 20%. Các mẫu mới có sẵn từ mùa xuân 2025 cũng có phạm vi hoạt động lên đến 3.400 mm, giúp mở rộng phạm vi làm việc hiệu quả cho khách hàng của KUKA trong quá trình FSW. Tuy nhiên, KR FORTEC đã rất phổ biến từ trước đó: Không có robot nào khác được bán nhiều như vậy cho các ứng dụng FSW trong những năm qua!

Till Maier: Hiện tại, chúng tôi đã nhận được đơn đặt hàng tiếp theo gồm 12 trạm FSW từ một nhà sản xuất ô tô lớn của Mỹ, khách hàng này trước đó đã đặt hàng 23 trạm từ chúng tôi. Các trạm này được sử dụng trong nhiều công đoạn sản xuất: Robot hàn các giá đỡ pin lại với nhau và kết nối các tấm làm mát với giá đỡ pin trong công đoạn sản xuất thứ hai. KUKA không chỉ cung cấp công nghệ mà còn chịu trách nhiệm cho toàn bộ quá trình hàn ma sát – bao gồm lắp ráp, vận hành, đào tạo và nghiệm thu cuối cùng. Điều đặc biệt thú vị ở đây là trong nhà máy sản xuất được trang bị lại toàn diện, các xe có động cơ đốt trong, xe hybrid và xe điện có thể được sản xuất trên cùng một dây chuyền sản xuất.

Stefan Fröhlke: Điều này rất đáng chú ý vì xe hybrid điện và xe chạy hoàn toàn bằng pin có những yêu cầu sản xuất rất khác nhau. Đối với xe hybrid, chúng tôi có vỏ pin nhỏ hơn, được làm bằng nhôm đúc. Chúng có các kênh làm mát và nhiệm vụ của chúng tôi là đóng các kênh làm mát này. Ngược lại, đối với xe chạy hoàn toàn bằng pin, vỏ pin lớn hơn nhiều và nặng hơn nhiều. Điều đó có nghĩa là nhiều bộ phận được làm từ các hợp kim nhôm khác nhau.

Till Maier: Tám robot của chúng tôi, trong đó có ba mô-đun ứng dụng FSW với KR 500 MT FORTEC trong ba ô KUKA cell4_FSW, cũng đã được lắp đặt tại một nhà cung cấp phụ tùng ô tô lớn ở Bồ Đào Nha từ năm 2022. Nhà cung cấp này không hài lòng với chất lượng hàn của thiết bị của một nhà sản xuất khác. Ban đầu, chúng tôi đã phát triển một hệ thống với hai trạm, mỗi trạm có một KR 500 MT FORTEC cho họ. Do tính linh hoạt trong việc có thể hàn các hộp pin khác nhau trên một hệ thống, khách hàng đã rất hài lòng và đặt hàng thêm một hệ thống nữa – một trạm với một robot có thể vận hành ba thiết bị. Điều này cho phép thực hiện ba tác vụ hàn khác nhau, mà nếu không có robot thì cần phải có ba hệ thống không dựa trên robot. Robot FSW có thể được sử dụng với công suất lên đến 95%, vì trong quá trình hàn, các thiết bị có thể được nạp và dỡ trong một khu vực an toàn riêng.

Till Maier: Trong ngành công nghiệp ô tô, hàn phải chính xác và an toàn 100%, vì cuối cùng, chúng ta đang nói về các bộ phận liên quan đến va chạm trong vỏ pin! Để tránh các chiến dịch thu hồi sản phẩm tốn kém, an toàn quy trình và tài liệu hóa trong toàn bộ quy trình và các thông số của nó là một yêu cầu quan trọng và bắt buộc. Vì vậy, tại KUKA, chúng tôi đã phát triển một hệ thống điều khiển đặc biệt để giám sát quy trình: PCD, viết tắt của "Parameter Control and Documentation" (Kiểm soát và ghi chép thông số). Với hệ thống này, chúng tôi có thể giám sát và lưu trữ tất cả dữ liệu liên quan đến quy trình với tần suất 100 mili giây. Dữ liệu cũng có thể được xử lý dễ dàng trong các hệ thống khác thông qua một giao diện.

Till Maier: Chúng tôi cung cấp cho các nhà sản xuất muốn phát triển các giải pháp khởi đầu giá cả phải chăng cho FSW dựa trên robot. Cùng với họ, chúng tôi phát triển các khái niệm sản xuất linh hoạt, có tính mô-đun và có thể mở rộng, do đó có thể mở rộng linh hoạt khi nhu cầu tăng lên. Trong quá trình này, khách hàng được hưởng lợi từ toàn bộ năng lực của chúng tôi: Một số công ty cung cấp robot, một số khác cung cấp trục chính hoặc các công cụ đặc biệt, nhưng không có kiến thức cần thiết về quy trình. Chúng tôi có thể cung cấp tất cả các thành phần, quy trình và kiến thức chuyên sâu này từ một nguồn duy nhất. Chúng tôi không chỉ đào tạo nhân viên của các công ty bằng kiến thức chuyên môn được tích lũy trong nhiều thập kỷ, mà còn hỗ trợ họ như những đối tác có năng lực sau khi đưa hệ thống vào hoạt động. Chúng tôi coi sự hợp tác này là một mối quan hệ đối tác thực sự và bền vững! Ngoài ra, chúng tôi thiết kế và lập trình robot của mình để chúng phù hợp tối ưu với các yêu cầu riêng của khách hàng – từ khâu thiết kế đến khâu thực hiện, chúng tôi có ảnh hưởng đến tất cả các bước quy trình liên quan.

Stefan Fröhlke: Thông qua sự hợp tác trực tiếp và đa dạng với khách hàng cuối, chúng tôi cũng thu thập được những kinh nghiệm quý giá, mà chúng tôi liên tục áp dụng vào các giải pháp của mình. Chúng tôi tự xem mình là nhà cung cấp giải pháp, ngoài công nghệ robot của riêng mình, còn có hơn 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực kỹ thuật kẹp, phát triển công cụ và kỹ thuật quy trình – những kiến thức quan trọng cho việc triển khai công nghiệp! Với tư cách là nhà tích hợp, chúng tôi đảm bảo chất lượng của hệ thống và giải quyết các nhiệm vụ khó khăn bằng nhiều phương pháp khác nhau. Nếu khách hàng có nhu cầu, chúng tôi có thể cung cấp các giải pháp hoàn chỉnh, sẵn sàng sử dụng, phù hợp hoàn hảo với các yêu cầu riêng của họ. Nói cách khác: KUKA là đối tác phù hợp cho FSW trong lĩnh vực điện động, từ ý tưởng sản phẩm ban đầu đến giải pháp tổng thể hoàn chỉnh.

Hàn ma sát khuấy (FSW) được phát triển vào đầu những năm 1990 bởi Viện Hàn (TWI) ở Anh. Kể từ đó, công nghệ này đã được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, ví dụ như hàng không vũ trụ, ô tô hoặc đóng tàu. Trong FSW, một dụng cụ quay được dẫn dọc theo các bề mặt tiếp xúc của bộ phận. Nhiệt ma sát làm cho vật liệu dẻo hóa và các bộ phận được liên kết với nhau. Do đó, ngay cả các vật liệu khó hàn hoặc khác loại như nhôm với magiê, đồng hoặc thép cũng có thể được hàn với nhau. Với sự bùng nổ của điện khí hóa và nhu cầu ngày càng tăng đối với pin, FSW đang trải qua một sự phát triển mạnh mẽ. Điều này được thúc đẩy bởi nghiên cứu và phát triển sâu rộng, dẫn đến những cải tiến và mở rộng liên tục. Với ISO 25239, FSW có một tiêu chuẩn cụ thể để điều chỉnh và tiêu chuẩn hóa quy trình này.