Fronius: Automatisierte Schweisszelle Aluminium-Gehäuse nach IP65 dicht geschweisst

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Das Gehäuse für den Wechselrichter Tauro, der für Solarstromanlagen ausserhalb von Gebäuden aufgestellt wird, schweisst der Hersteller mit einer Handling-to-Welding-Roboterschweissanlage rundum dicht und wetterbeständig für den kommerziellen Einsatz im Freien.

Sein doppelwandiges, aktiv gekühltes Gehäuse macht den Wechselrichter Tauro fit für den Einsatz im Freien. Egal ob Regen, Hitze oder direkte Sonnenbestrahlung – der Wechselrichter hält dagegen und erledigt zuverlässig seinen Job. Von zukunftsorientierten Solarexperten entworfen, erfüllt er die internationale Schutzart IP65. Hightech-Geräte dieser Art sind gegen Berührung, Strahlwasser aus beliebigem Winkel und Staubeintritt geschützt. «Die Herausforderungen beim Schweissen des Aluminium­gehäuses sind wegen der unterschiedlichen Blechdicken enorm», erläutert Jasmin Gross, Fronius Solar Energy. «Mit der Fronius Welding Automation haben wir den perfekten Partner im eigenen Haus.»

Vorab simuliert

Produziert wird der Wechselrichter am österreichischen Standort Sattledt. Geschweisst werden Gehäuse und Flügeltüren in einer speziell für diesen Job entwickelten Handling-to-Welding-Roboterschweisszelle. «Sämtliche Roboterbewegungen und Schweissfolgen programmieren und simulieren wir mit der Software Fronius Pathfinder offline, also getrennt von der Anlage auf einem digitalen Zwilling», erklärt Anton Leithenmair, Leiter der Welding Automation. «So erkennen wir eventuelle Störkonturen bereits im Vorfeld. Das Gleiche gilt für Achslimits und Brenneranstellungen. Auch hier können wir rechtzeitig eingreifen, nicht erst während der ersten Schweissproben. Sobald die Schweissfolgen programmiert sind, übergibt die Software Pathfinder die Daten dem Postprozessor, der sie in die Sprache der Roboter (Fanuc) übersetzt. So sparen wir wertvolle Zeit und Kosten. Offline-Programmieren verkürzt das Roboter-Teachen in der Schweisszelle um viele Stunden.»

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Workflow genau planen

Vor Beginn der Produktion werden die zum Wechselrichter eingegangenen Aufträge in einem Enterprise-Resource-Planning-System (ERP) angelegt. Sie bilden die Basis für den sogenannten Material-​Ressourcen-Planungslauf (MRP-Lauf). Dort werden alle Produktionsaufträge für Gehäuse und Flügel­türen erzeugt. Als Nächstes wird jedem Auftrag ein Produktionsdatum zugewiesen. Die darauffolgende Feinplanung übernimmt das Manufacturing Execution System (MES). Jeder Auftrag wird dort minutengenau geplant, einem freien Auftragskorridor zugeordnet und anschliessend gelistet.

Heften, Rüsten, Schweissen

Das Schweissen der doppelwandigen Wechselrichtergehäuse ist wegen der unterschiedlichen Blechstärken von Beginn an eine besondere Herausforderung. «Bevor wir die einzelnen Blechelemente in der Roboterschweisszelle normgerecht fügen, werden sie händisch vorgeheftet. Dafür verwenden wir das MAG-Verfahren. Schon hier muss präzise gearbeitet werden», erläutert Christian Kraus, Gruppenleiter in der Blechfertigung. Nach dem Heftschweissen und Bestätigen an der Schweissanlage gibt die zentrale Systemsteuerung den nächsten Arbeitsschritt, das Roboterschweissen, frei. Jetzt wird das Gehäuse auf den Rüstwagen gelegt, gespannt und in die Schleuse gefahren. Ist diese quittiert, startet die Anlage den nächsten Job und das für das Positionieren und Schweissen zuständige Roboterprogramm wird mithilfe eines RFID-Datenträgers (Radio Frequency Identification) an der Spannvorrichtung ausgewählt. «Egal, welches Bauteil wir in die Schleuse legen, der RFID-Chip identifiziert das passende Schweissprogramm», sagt dazu Christian Kraus. «Zum Beispiel können wir Schleuse eins mit einem Wechselrichtergehäuse belegen, während wir über die Bauteilzuführung in Schleuse zwei eine Flügeltüre schweissen. Und umgekehrt. Der Einsatz der RFID-Technologie verschafft uns die Möglichkeit, Bauteile völlig unabhängig von Form, Abmessungen und Menge zu schweissen. Losgrösse 1 oder Serienfertigung – unsere Handling-to-Welding-Roboterschweisszelle kann beides.»

Abgestimmte Roboterbewegungen

Sobald der Schweissvorgang gestartet wurde, greift der Handling-Roboter R-2000iD/210FH (Fanuc) das Bauteil und führt es in die Schweisszelle. Für ihn ist das Wechselrichtergehäuse beinahe ein Leichtgewicht. Bei 2600 mm Reichweite trägt er bis 210 kg schwere Lasten. Das Aluminiumgehäuse samt Spannvorrichtung ist allerdings nur 140 kg schwer. Ist das Gehäuse in der Schweisszelle eingetroffen, wird ein Data-Matrix-Code (DMC) mit Tintenstrahltechnik auf den Gehäuseboden gedruckt. Dieser enthält die Seriennummern der einzelnen Gehäuse. Sie werden mit den Schweissdaten verknüpft, die von der Datenmanagement-Software Weld Cube während des Schweissvorganges aufgezeichnet werden. So ist am Ende jede einzelne Schweissnaht lückenlos nachvollziehbar. Ist der DMC aufgebracht, startet der eigentliche Schweissprozess. Während der Schweissroboter ARC Mate 100iD mit insgesamt 96 Schweissnähten das Gehäuse fügt, bringt der Handling-Roboter das Gehäuse ideal in Position. Einige der Schweissnähte erfordern perfekte Simultanbewegungen beider Roboter. «Als Schweissprozess kommt vorwiegend Pulse Multi Control Ripple Drive zum Einsatz», führt Anton Leithenmair aus. «Dieses Verfahren ermöglicht eine präzise Einstellung des Wärmeeintrags und eignet sich hervorragend für das Fügen unterschiedlich dicker Bleche.»

Optisch ansprechende Schweissnähte

Genauer betrachtet ist das Verfahren PMC Ripple Drive eine spezielle Ausprägung des Prozesses PMC. Kennzeichnend ist ein zyklischer Prozesswechsel zwischen PMC und einer reversierenden Drahtbewegung mithilfe einer sogenannten PushPull-Antriebseinheit. Bestens für das automatisierte Schweissen geeignet, schweisst man mit PMC deutlich schneller als mit WIG. Dabei liefert der Prozess schön geschuppte, nahezu spritzerfreie Schweissnähte. Als Schweisszusatz kommt ein 1,2 mm dicker Aluminium-Silizium-Draht zum Einsatz, der unter Argon-Schutzgas verschweisst wird. Schweissprozesse, Draht und Gas sind in den Systeminformationen zum Schweissauftrag enthalten. Der Schweisszyklus dauert 17,5 min. Danach legt der Handling-Roboter das Bauteil in der Schleuse ab und die Schweisszelle sendet ein Fertigstellungssignal an das MES-System. Noch während die eine Schleuse entleert wird, kann in der anderen bereits der nächste Job starten.

Geplante Wartung

Das Manufacturing Execution System (MES) verwaltet eine Vielzahl von Daten. Neben dem Auftragsmanagement werden auch Maschinenzustände, Taktzeiten, Störungen sowie die Werte der Unterdruckprüfung, die am Ende der gesamten Schweissarbeiten erfolgt, aufgezeichnet. Auch Wartungsfenster können mithilfe des MES festgelegt werden. Wenn sich zum Beispiel herausstellt, dass durchschnittlich alle 100 Betriebsstunden eine bestimmte Störung auftritt, lässt sich ein gezieltes Wartungsintervall von 99 Stunden festlegen. Systematisch im Voraus geplante Wartungsarbeiten verlängern die Lebensdauer von Schweissgeräten und vermeiden unnötige Stillstandzeiten.

Dicht nach Schutzart IP65

Die wenigen Gehäusedetails, die der Roboter nicht optimal erreicht, werden händisch nachgeschweisst. Hier kommt der für das Aluminium-Schweissen prädestinierte WIG-Prozess zum Einsatz. Am Ende der Schweissarbeiten werden eventuelle Naht­überhöhungen abgeschliffen, die Schweissnähte mit Farbeindringprüfmittel bestrichen und auf Schweiss­fehler geprüft. Dabei dringt Prüfflüssigkeit in jede Unregelmässigkeit des Werkstoffs ein.

Im Anschluss an die Schweissnahtprüfung wandert jedes fehlerfreie Gehäuse in eine Dichtheitsprüfanlage, die Fronius speziell für die Wechselrichtergehäuse entwickelt hat. Diese erzeugt im Inneren des Gehäuses 60 mbar Unterdruck. Das ist über einen genau definierten Zeitraum zu halten. Fällt der Druck während dieses Zeitraums um weniger als 1,8 mbar, gilt das Gehäuse als zuverlässig dicht und erfüllt die Schutzart IP65. Anschliessend wird das Ergebnis seriennummerbezogen in der Steuerung Weld Cube gespeichert. Somit ist eine Rückverfolgbarkeit (Traceability) gewährleistet. Das Wechselrichtergehäuse ist jetzt bereit für die Pulverbeschichtung. - kmu - SMM

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