Soll eine Schweißnaht Werkstücke druck- und mediendicht verbinden und ein sicheres Crash-Verhalten aufweisen, ist Rührreibschweißen immer öfter erste Wahl – Grenzebach hat mit einem doppelten Twisterband HD von Igus diese materialschonende Schweißtechnologie noch flexibler gemacht und damit neue Einsatzfelder erschlossen.
Schweißen: das sind gleißendes Licht, sprühende Funken, hohe Lautstärke, zischende Gase, erhebliche Emissionen und enorme Hitze – aber nicht beim Rührreibschweißen. Geräusch- und emissionsarm zieht der Schweißkopf der FSW-Portalmaschine eine perfekte und absolut saubere, mäanderförmige Schweißnaht auf dem Bauteil. Um die Schweißnaht nicht zu unterbrechen, muss sich der Schweißkopf ständig um die eigene Achse drehen. Ermöglicht wird diese enorme Flexibilität durch eine besondere Energiezuführung. Die eindrucksvolle Demonstration erfolgt bei dem Anlagenhersteller Grenzebach am Haupt- und Fertigungsstandort in Hamlar, rund 40 km nördlich von Augsburg. Das 1960 gegründete und heute global aufgestellte Familienunternehmen stellt hier maßgeschneiderte Automatisierungslösungen her. Weitere Fertigungsstandorte befinden sich in Rumänien, den USA und in China. Hinzu kommen weltweite Service-Niederlassungen. Grenzebach ist im Anlagenbau für die Glas- und Baustoffindustrie zuhause, bietet zudem Lösungen in der Intralogistik, der Verfahrenstechnik und der additiven Fertigung. Darüber hinaus erschließt sich das Unternehmen mit seinen 1.500 Mitarbeitern laufend neue Anwendungsgebiete – wie seit einigen Jahren durch das Rührreibschweißen. „In den letzten beiden Jahren hat die Nachfrage nach FSW-Anlagen spürbar zugenommen. Das Rührreibschweißen entwickelt sich zu einem unserer dynamischsten Geschäftsfelder“, erklärt Sahin Sünger, Vertriebsleiter und Produktmanager für FSW bei Grenzebach. Der bayerische Automatisierungsspezialist profitiert vor allem von der stark wachsenden Elektromobilität in der Automobilindustrie. „Dabei kommen in großem Umfang Aluminiumwerkstoffe zum Einsatz. Und die sind prädestiniert für das FSW-Verfahren“, sagt Sahin Sünger. Doch auch in anderen Branchen wächst die Nachfrage nach der materialschonenden Schweißtechnologie, etwa in den Bereichen Leistungselektronik, Batteriefertigung, Schienenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt oder Consumer Electronics.
Rühreibschweißen ist prädestiniert für Aluminium-Werkstoffe und dank Twisterband noch flexibler
Der Vorteil des Rührreibschweißens besteht darin, dass die Metalle plastifiziert und gerührt, aber nicht geschmolzen werden. „Das schafft eine Schweißgüte, die mit anderen Verfahren nicht möglich ist”, erklärt Sahin Sünger. Denn mit dem FSW-Verfahren lassen sich mediendichte Verbindungen realisieren, etwa beim Schweißen von Wärmetauschern und Kühlern. Da das Material im plastischen Bereich verschweißt wird, findet auch keine Gefügeveränderung wie beim thermischen Schweißen statt. Damit eignet sich FSW ideal für die Fertigung von Batteriewannen für E-Fahrzeuge. Denn neben der geforderten Mediendichtheit müssen diese auch Crashtests bestehen. „Da sind thermische Schweißnähte oftmals der Schwachpunkt”, weiß Sahin Sünger. Das Verfahren selbst ist einfach erklärt: Ein verschleißbeständiges, rotierendes Werkzeug taucht in das zu fügende Material ein. Dabei entsteht Reibungswärme, die das Metall formbar macht. Die beiden Werkstücke werden durch die Vorwärtsbewegung des Werkzeugs entlang der Nahtstelle verrührt und verdichtet, so dass eine feste Verbindung entsteht. So einfach das Verfahren, so komplex die Anlage. Da das Werkzeug bei jeder Naht in das Material ein- und austauchen muss, soll der Schweißprozess mit möglichst wenig Unterbrechung stattfinden. Das erfordert bei einigen Bauteilen eine hohe Beweglichkeit des Schweißkopfes, etwa wenn die FSW-Anlage mäanderförmige Dichtschweißungen auf einem Bauteil von der Größe eines DIN-A4-Blattes aufbringt. Dann muss sich der Schweißkopf innerhalb 60 Sekunden mehrmals um mindestens 360° vor- und zurückdrehen, und das bei sehr kleinem Bauraum – eine Herausforderung für die Energieführung.
Energieführung von Igus als Problemlöser
„Die Lösung brachte die Kooperation mit igus: die direkte Kopplung von zwei twisterbändern HD mit zwei R4 Energieketten und chainflex Leitungen, integriert in unsere Energiezuführungseinheit“, erinnert sich Alexander Feineis, Entwicklungsingenieur bei Grenzebach. Die bis zu neun chainflex Leitungen zur Energieversorgung sowie die weiteren Medienleitungen, wie Kühlung, Sensorik, Servo- und Geberleitungen, die alle diese Drehbewegungen mitmachen müssen, werden bei seiner Konstruktion durch Energiekettenrohre der Serie R4.28 und die twisterbänder HD vom Typ TBHD.30 geführt. „Die Zuführung der Medien- und Energieleitungen war bei der Entwicklung der Anlage eine große Herausforderung. Wir hatten deshalb bei der Konstruktion des Schweißkopfs verschiedene Lösungen angedacht, um sie platzsparend, zuverlässig und wartungsarm zu führen“, schildert Feineis die Herausforderung. „Doch die meisten Ansätze waren nicht zielführend: Entweder vom Bauraum her zu groß, zu teuer oder hatten nicht die gewünschte Funktionalität. Aber mit der Idee, zwei twisterbänder mit Energieketten zu koppeln, konnten wir alle Anforderungen erfüllen.“
Twisterband für Verdrehungen von bis zu 7.000 Grad
Das Twisterband HD ist eine stabile, zugleich sehr kompakte, spiralförmige Energiekette für Kreisbewegungen, mit der Rotationen von bis zu 20-mal um die eigene Achse möglich sind. Durch die damit erreichbare Flexibilität des Schweißkopfes erweitert sich der Einsatzbereich der Technologie erheblich. Sahin Sünger: „Wir können nun auch Lösungen bieten, die mit FSW bis dato nicht realisierbar waren.“ Mit dem twisterband sind Drehbewegungen bis zu 7.000 Grad in der Horizontalen und 3.000 Grad in der Vertikalen auf engstem Raum möglich, selbst bei Geschwindigkeiten bis zu 180°/s. Medienleitungen sowie Bussignale lassen sich mit dem System einfach, unterbrechungsfrei und kostengünstig führen. Die einzelnen Kettenglieder werden bei der HD-Version durch ein Bolzen-Hakenprinzip miteinander verbunden. Dadurch entsteht ein definierter Biegeradius bei gleichzeitig höherer Stabilität. Michael Offner, Vertriebsleiter Süd bei igus: „Das normale twisterband baut etwas kleiner, verfügt aber über Filmscharniere. Die HD-Version erreicht dagegen eine höhere Lebensdauer.” Die Energieführung besteht zudem aus wartungsfreien Tribo-Polymeren, in denen ein glasfaserverstärktes Material eingearbeitet ist. „Unsere Anlagen sind für die 24/7-Produktion ausgelegt, die müssen laufen, laufen, laufen”, erklärt Sahin Sünger die Erwartungshaltung der Kunden. Das die neue Lösung hält was sie verspricht, das zeigen auch die ersten Versuche in den neuen Maschinen: „Die Lösung ist sehr robust und zuverlässig”, betont Alexander Feineis. „Wir haben bereits mehrere Dauertests durchgeführt und noch keinen Ausfall gehabt, daher freuen wir uns die gemeinsame Energieführungslösung zukünftig noch in viele Portalmaschinen einsetzen zu können”
Schweißkopf dreht um 720 Grad
Grenzebach bietet für das Rührreibschweißen sowohl Roboterlösungen als auch eigene Portalmaschinen an. Der Schweißkopf ist jeweils das zentrale Bauteil und wird von den FSW-Experten im eigenen Haus entwickelt. Es gibt ihn mit zwei Optionen:
- Einteiliges, rotierendes Werkzeug für hohe Schweißgeschwindigkeiten und hohe Einschweißtiefen.
- Zweiteilig aufgebautes Werkzeug mit rotierendem Reibstift und nicht-rotierender Schulter für besonders materialschonendes und filigranes Arbeiten.
Das Werkzeug rotiert mit bis zu 8.000 Umdrehungen. Dabei die Anpresskraft konstant zu halten, ist einer der Qualitätsfaktoren für die Schweißnaht. Bei mäanderförmigen Schweißnähten muss sich der Schweißkopf damit um mindestens 360 Grad drehen können, plus Anfahr- und Abfahrbewegungen und Konturen innerhalb des Bauteils. Was letztendlich eine Drehbarkeit um +/-720 Grad erfordert. Der Grenzebach-FSW-Schweißkopf erreicht durch das Doppel-twisterband HD von igus den entsprechenden Bewegungsradius und die erforderlichen Freiheitsgrade.