Reibrührschweissen mit Roboter hat Potential

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Niedrige Hitzeeinwirkung, keine Poren

Um diese Nachteile zu umgehen, wurden alternative Verfahren für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt getestet. Darunter stellt das Reibrührschweissen eine innovative Fügetechnologie dar. Es wurde erst in den neunziger Jahren entwickelt sowie patentiert und ist im Speziellen für Aluminiumlegierungen geeignet. Beim Reibrührschweissver fahren werden die Anschlussstücke durch die Reibwärme, die das rotierende Werkzeug erzeugt, nicht komplett zum Schmelzen gebracht. Die Hitzeeinwirkung ist damit recht niedrig. Reibrührschweissen ist demnach eine Art lokales Warmumformen. Die Vorteile davon sind zum Beispiel, dass keine Poren in der Naht entstehen und folglich auch keine Füllstoffe oder Schutzgase benötigt werden. Zudem können gemischte Nähte hergestellt werden, beispielsweise aus verschiedenen Aluminiumlegierungen oder sogar zwischen Aluminiumlegierungen und anderen Materialien wie Stahl und Kupfer.

Einheitliche Kräfteverteilung, besserer Korrosionsschutz

Weitere Unterschiede dieser beiden Technologien sind, dass in einer simplen Stossverbindung eine Schweissnaht eine zweidimensionale Verbindungsoberfläche hat, welche eine einheitliche Kräfteverteilung garantiert, wohingegen die Kräfte auf einer genieteten Naht in Spannungsspitzen an den einzelnen genieteten Löchern resultieren. Da es zudem zwischen den einzelnen Platten in der geschweissten Region keine Abstände gibt, weisen Schweissnähte auch einen besseren Korrosionsschutz auf. Die Schweissge-schwindigkeiten des Reibrührschweissens bei herkömmlichen luftfahrttechnischen Aluminiumlegierungen reichen von zirka 4000 Millimeter pro Minute bei einer Einbrandtiefe von einem Millimeter bis so niedrig wie fünf Millimeter pro Minute für eine Einbrandtiefe von bis zu 75 Millimeter. Ausserdem braucht eine Reibrührschweissnaht keine zusätzlichen Verstärkungen. Dies alles führt schliesslich zu einer Verkürzung der Montagezeit und einer Senkung von Kosten und Gewicht.

Robotereinsatz beim Reibrührschweissen

Installationen für Reibrührschweissen haben herkömmlich einen starren Aufbau und sind somit häufig auf den Schweissprozess von linearen Nahtgeometrien reduziert. Im Gegensatz dazu sind die Segmente des Flugzeugrumpfes allerdings generell gekrümmt und erfordern somit auch eine entsprechende Handhabung der Schweisswerkzeuge. Industrieroboter sind so flexibel, dass sie diesen Konturen folgen können. Diesen Vorteil machte sich auch das Projekt «Robot-FSW» zu Nutzen, das 2005 gestartet wurde.

Resultate des Projekts «Robot-FsW»

Getestet wurde die Eignung des Roboters für Reibrührschweissnähte anhand einer speziell angefertigten Spannvorrichtung, die eine konvexe sowie eine konkave Oberfläche aufweist, jeweils mit einem Radius von 500 Millimeter und einer totalen Länge von über einem Meter. Auf der Basis von Schweisstests war es abschliessend möglich, zu beweisen, dass ein Roboter identi-sche, optimale Schweissqualitäten entlang der gesamten Schweissnaht in verschiedenen Schweissrichtungen erzielt, und das in zwölf unterschiedlichen Arbeitspositionen.Die grosse Flexibilität des Kuka-Knick-Armroboters KR 500 MT führt somit zu einem grossen Einsatzpotential für Applikationen im 3D-Bereich, sprich in drei Schweissrichtungen: strahlenförmig horizontal von der Roboterbasis weg, strahlenförmig vertikal zur Roboterbasis sowie tangential. Diese Bedingungen stellt, wie bereits erwähnt, die Herstellung von beispielsweise Flugzeugrümpfen.

Prozesskräfte bis zu zehn Kilonewton

Zudem zeigten die Tests auf, dass das Roboter-Reibrührschweisssystem mit einer mittleren Reichweite fähig ist, Prozesskräfte bis zu zehn Kilonewton zu erzeugen. Spezielle Anstellbewegungen erlauben zudem noch höhere Prozesskräfte, die jedoch wiederum durch den maximalen Dauerstrom der Antriebsmotoren sowie die Höchstlast der Getriebe begrenzt sind. Dieses Potential ist allerdings auch vollkommen ausreichend, um die diversen Aluminiumlegierungen zu verbinden - und das mit einer Dicke bis zu circa fünf Millimeter, wie sie auch bei herkömmlichen Reibrührschweissinstallationen verwendet werden.

Geplante und weiterführende Aufgaben

Die ausgeführten Tests des Reibrührschweissens, die mit dem Robotersystem auf einer 3D-Spannvorrichtung ausgeführt wurden, haben bisher sehr erfreuliche Ergebnisse geliefert. Auf dieser Basis ist es nun geplant, einzelne Flugzeugrumpfsegmente der Airbus-Typen A330 und A340 durch den Prozess des Reibrührschweissens mit einem Kuka-Roboter KR 500 MT im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zu verschweissen. In diesem Zusammenhang wäre die gesamte zu schweissende Länge circa 2,5 Meter. Mit Hilfe von Simulationen zeigte es sich bereits als möglich, dass der Roboter durchaus problemlos die Schweissnaht über die gesamte Länge erreichen kann - und das, wie bereits erwähnt, in unterschiedlichen Arbeitspositionen.Zusätzlich zu diesen grossen Radien ist der Roboter theoretisch fähig, ebenso sehr kleine Bereiche zu schweissen, was wiederum auch für andere Branchen der Industrie wie die Automobilindustrie interessant ist. Dies wäre dann wiederum ein Gegenstand für mittelfristige Untersuchungen. InformationKuka Roboter Schweiz AGRiedstrasse 78953 DietikonTel. 044 744 90 90 Fax 044 744 90 91info@kuka-roboter.ch www.kuka-roboter.chschweissen und schneiden: halle 1, stand 132

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