Laserschweißzelle adé – Fraunhofer und thyssenkrupp entwickeln hocheffiziente Laserschweißzange

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Hocheffizientes Laserstrahlschweißen: Die von thyssenkrupp System Engineering und Wissenschaftlern des Fraunhofer IWU entwickelte Laserschweißzange lässt sich außerhalb von Laserschweißzellen einsetzen und funktioniert dank integrierter Absaugfunktion ohne energieintensive Pneumatik.

Eine hocheffiziente Laserschweißzange, die ohne Druckluft und außerhalb der bisher notwendigen, hermetisch geschlossenen Laserschweißzellen einsetzbar ist, und ein funktionsintegriertes Batteriegehäuse, das gleich mehreren Herausforderungen der Elektromobilität begegnet – dies sind die Highlights, die das Fraunhofer IWU vom 16. bis zum 18. Oktober 2018 auf der Internationalen Zuliefererbörse (IZB) in Wolfsburg am ACOD-Gemeinschaftsstand (Halle 4, Stand 4104) präsentiert. Darüber hinaus zeigt das Fraunhofer IWU u.a. effiziente Lösungen für das Fügen hybrider Leichtbaukomponenten und die wirtschaftliche Fertigung von Blechbauteilen in Kleinserien.

Werden Bauteile per Laser verschweißt, entstehen giftiger Schweißrauch und Schweißspritzer. Letztere können sowohl zur Verschmutzung der Bauteiloberläche führen, als auch die Lebensdauer des Schutzglases der Laserschweißoptik reduzieren. Außerdem wird Strahlung emittiert, die für Haut und Augen gefährlich ist. Abhilfe schafft man in der Industrie bislang, indem die Laserschweißanlagen in hermetisch geschlossenen Räumen untergebracht werden, den Laserschweißzellen. Um die Lebensdauer des Schutzglases zu erhöhen, werden Spritzer und Rauch bei herkömmlichen Systemen mit einem Luftstrahl, dem Crossjet, unter hohem Druck von der Schweißoptik weggeblasen und so im Raum verteilt. Der Rauch wird in der Regel durch großvolumige Raumluftabsaugungen entfernt. Nachteile dieses Vorgehens sind u.a. ein enormer Energieaufwand für die Pneumatik des Crossjets, ein schlechter Flächenausnutzungsgrad in der Fabrik und Verschmutzungen von Optik und Bauteilen trotz der Blasluftreinigung. Weiterlesen

Prozessgrenzen beim Walzplattieren besser verstehen

Abbildung 1: Aufbau des Grundversuchs zur Charakterisierung der Verbindung beim Walzplattieren (oben) ([Autoren] nach [Mik14]) und schematische Versuchsdurchführung (unten)

Stoffschlüssiges Verbinden durch Walzplattieren

Die hohen Anforderungen an moderne Bauteile, zum Beispiel im Bereich des Leichtbaus und der Energieeffizienz, können immer seltener durch monolithische Werkstoffe erfüllt werden. Hier greift das Walzplattieren als ein etabliertes Verfahren für das stoffschlüssige Verbinden verschiedener metallischer Werkstoffe an. Dies ermöglicht anwendungsgerechte Kombinationen physikalischer, chemischer oder mechanischer Werkstoffeigenschaften. In der Praxis werden allerdings Prozessgrenzen in Bezug auf kombinierbare Werkstoffe und realisierbare Schichtdickenverhältnisse beobachtet. So können stark unterschiedliche Festigkeiten der Verbundpartner oder ungünstige Schichtdickenverhältnisse zu stark unterschiedlicher Längung führen. Somit wird eine Verbindungsentstehung erschwert oder verhindert und es kann zu periodischem Aufreißen der schwächeren Schicht kommen. Um diese Zusammenhänge systematisch untersuchen und besser verstehen zu können, wurden am IBF realitätsnahe Simulationsmodelle und ein Grundversuch entwickelt, mit dem die Entstehung der stoffschlüssigen Verbindung entsprechend den Bedingungen im Walzspalt quantitativ nachvollzogen werden kann. Weiterlesen

Energetische, Wirtschaftliche und Arbeitsmedizinische Aspekte zur Schweißtechnik

Abbildung 1: Einfluss der Schweißnahtgeometrie auf die Abkühlzeit t8/5 und den Wärmestrom beim MSG-Schweißen (Parameter: Standardlichtbogen bei v D = 10 m/min; PA-Schweißposition; Zusatzwerkstoff d = 1,2 mm G3Si1; Grundwerkstoff: S235; Schutzgas 15 l/min 82 % Ar, 18 % CO2; Schweißgeschwindigkeit 70 cm/min; Kontaktrohrabstand 18 mm)

Einleitung

Um die Wirtschaftlichkeit beim Schmelzschweißen zu erhöhen können Fülldrahtelektroden eingesetzt werden, welche aber gleichzeitig eine höhere Emission an gesundheitsschädlichen Stoffen beim Schweißen bewirken. Das Schmelzschweißen, als eine Möglichkeit Stahlbauteile zu fügen, spielt nach wie vor eine bedeutende Rolle in heutigen Konstruktionen. Fortlaufend wird an neuen Stahlsorten geforscht und vorhandene in ihren Eigenschaften weiter entwickelt. Das große Ziel ist, Stähle schnell und einfach zu fügen um damit wirtschaftlich Produkte herstellen zu können. Das Schmelzschweißen führt im Werkstoff grundsätzlich und unweigerlich zu einer Änderung des Gefüges. Dies hat wiederum großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung. Für die Charakterisierung des Zeit-Temperatur-Verlaufs kommt dem Bereich zwischen 800 und 500 °C (sogenannte t8/5-Zeit) hohe Bedeutung zu, da dort die Gefahr unzulässiger Aufhärtung bzw. die Verminderung der Streckgrenze besteht. Für ein wirtschaftliches Schweißen müssen diese Kenntnisse vorliegen. Weiterhin besteht für das Personal, welches Schweißarbeiten durchführt, aber auch für Personen die sich in unmittelbarer Nähe des Bereiches der Schweißarbeitsplätze befinden, eine erhebliche Gefahr durch Strahlung und durch die Entstehung von alveolengängigen Schweißrauch. Die Professur Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz ist mit mehreren Forschungsprojekten in diesen Bereichen aktiv. Einen repräsentativen Einblick aus diesen Projekten bietet der vorliegende Artikel. Weiterführende Informationen sind unter https://www.tu-chemnitz.de/mb/SchweiTech/ zu finden. Weiterlesen

Schweißen von Kupferwerkstoffen mit grüner Laserstrahlung

Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Messung des Einkoppelgrades mithilfe einer Ulbrichtkugel

Anhand innovativer Systemtechnik soll die Prozesseffizienz und die Schweißnahtqualität beim Laserstrahlschweißen von Kupferwerkstoffen gesteigert werden. Hierzu wird im Rahmen des Forschungsprojektes ProLasKu von der TRUMPF Laser GmbH eine neuartige Strahlquelle entwickelt. Diese emittiert im grünen Wellenlängenbereich mit einer Ausgangsleistung von bis zu 1,5 kW. Um die Vorteile von grüner Laserstrahlung darzulegen, wurden am iwb Methoden zur Beurteilung der Effizienz und der Stabilität des Schweißprozesses entwickelt. Weiterlesen

Härten auf Knopfdruck: Kohlenstoff-Faser-Verbundwerkstoffe und Unterwasser-Kleber

Das neuartige Material kann sogar unter Wasser ausgehärtet werden. Foto: TU Wien

An der TU Wien wurde eine Spezialformel für ein Epoxidharz entwickelt. Es kann für faserverstärkte Komposite im Flugzeug-, Auto- oder Schiffsbau eingesetzt werden, oder ist sogar für Unterwassersanierungen geeignet.

Innerhalb von Sekunden kann sich das neue Material völlig verändern: Am Anfang ist es transparent, es kann flüssig oder pastos sein. Bestrahlt man es an irgendeinem Punkt mit dem passenden Licht, beginnt sich das gesamte Spezialharz zu verfestigen und nimmt dabei eine dunkle Farbe an. Die spezielle Epoxidharz-Formel, die das möglich macht, wurde von der TU Wien patentiert. Nun gelang es, diesen Prozess sogar unter Wasser ablaufen zu lassen. Damit kann das neue Epoxidharz für Aufgaben verwendet werden, die bisher nur sehr schwer zu lösen waren – etwa um unter Wasser Risse in Brückenpfeilern oder Dämmen zu verkitten, oder um im laufenden Betrieb Rohre zu reparieren. Weiterlesen

Aktuelle Herausforderungen der Fügetechnik im Leichtbau

Autoren: Dr. Wolf Georgi, Dr. Jonny Kaars, Reza Kaboli, Prof. Peter Mayr

Einleitung

Abbildung 1: Maximal übertragbare Kräfte einer Einpunkt-Clinchverbindung zwischen Metall und Kunststoff in Abhängigkeit der Restfeuchte des Kunststofffügepartners zum Fügezeitpunkt

Die Fügetechnik ist nach DIN 8580 ein Teil der Fertigungsverfahren und hat die Aufgabe, Lösungen für das Verbinden verschiedenster Werkstoffe bereitzustellen. Die Palette der Fügeverfahren wird dabei ständig weiterentwickelt und an neue Werkstoffsituationen angepasst. Der aktuelle Trend zum Leichtbau stellt dabei auch große Herausforderungen an die Fügetechnik. So sind auf der einen Seite thermische Fügeverfahren zu nennen, die für hoch- und höchstfeste Stähle geeignet sein müssen oder an das Fügen von Leichtmetallen angepasst werden müssen. Auf der anderen Seite stehen mechanische Fügeverfahren, welche es ermöglichen metallische Werkstoffe, natürliche Werkstoffe oder auch Kunststoffe nicht nur mit sich selbst sondern auch untereinander zu verbinden. Die Auswahl, welches Fügeverfahren für die jeweilige Fügeaufgabe in der eigenen Produktion zu verwenden ist, stellt dabei eine große Herausforderung an die Produzenten dar. Die Professur Schweißtechnik an der Technischen Universität Chemnitz beschäftigt sich unter anderem mit Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen bei Fügeaufgaben im Leichtbau. Im vorliegenden Artikel wird ein kleiner Einblick in verschiedene Projektschwerpunkte der Professur gegeben. Hierbei werden auch Themen angesprochen, die den Fügeprozess im Vorfeld und übergeordnet betrachten. Weiterführende Informationen sind unter https://www.tu-chemnitz.de/mb/SchweiTech/ zu finden. Weiterlesen

Erzeugung von Hybridbauteilen aus additiv gefertigten Kunststoffbauteilen und metallischen Grundkörpern mittels laserbasiertem Schmelzkleben

Bild 1: Schematische Darstellung des Verfahrensprinzips

Die Nachfrage nach Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen nimmt seit Jahren zu. Hybridbauteile ermöglichen dabei durch eine optimale Ausnutzung der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften von Kunststoffen und Metallen an verschiedene Lastfälle angepasste lokal variable Bauteileigenschaften. Neben konventionellen Fertigungsverfahren, wie dem Verkleben der unterschiedlichen Werkstoffe, stellt das laserbasierte Schmelzkleben einen vielversprechenden und innovativen Ansatz dar [1]. Der Prozess ermöglicht eine flexible und berührungslose Herstellung von Kunststoff-Metall-Hybriden. Die verschleißfreie Wirkungsweise des Laserstrahls führt zu einer lokalen, berührungslosen Erwärmung des zu fügenden Metalls (Bild 1). Das darunterliegende Kunststoffbauteil wird aufgrund der Wärmeleitung lokal aufgeschmolzen und benetzt unter Druck die metallische Oberfläche, sodass nach einer Abkühlphase eine feste Verbindung zwischen den Werkstoffen ohne den Einsatz eines zusätzlichen Klebstoffs entsteht. Weiterlesen

Kunststoffschweißprozesse

Autoren:
Dipl.-Ing. Christopher Pommer, SKZ, Würzburg
Dr. Benjamin Baudrit, SKZ, Würzburg
M.Sc. Heinrich Leicht, SKZ, Würzburg
Dr.-Ing. Peter Heidemeyer, SKZ, Würzburg
Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian, SKZ, Würzburg

Im Rahmen eines öffentlich geförderten Forschungsprojektes wurde die Einsatzmöglichkeit der passiven Thermographie im Bereich des Schweißens von Kunststoffen untersucht. Während diverser Fügeprozesse wurde die entstehende Temperatur mithilfe einer Wärmebildkamera protokolliert und zeitgleich von einer eigens entwickelten Software ausgewertet. Durch die Bestimmung der thermischen Eigenschaften und der Emissionskoeffizienten der untersuchten Materialien konnten in den Aufnahmen korrekte absolute Temperaturen angezeigt werden. Die passive Thermographie wurde an vier verschiedenen Schweißverfahren geprüft. Industrielle Anwendungen der passiven Thermographie als zerstörungsfreie Prüfmethode (ZfP) bzw. als Prozessüberwachungswerkzeug zeigen bereits den Erfolg und die vielversprechenden Möglichkeiten im Bereich des Kunststoffschweißens. Weiterlesen

Metallfügen mittels Laserstrahlung

Abbildung 1: Querschliff eines laserstrahlgeschweißten Folienstapels aus korrosionsbeständigen Stählen

Autor: Vincent Mann, M.Sc., SFI

Moderne Produkte enthalten heutzutage eine Vielzahl an Kontaktstellen, durch die einzelne Komponenten miteinander verbunden sind. Neben form- und reibschlüssigen Fügeverfahren, wie beispielsweise dem Verschrauben, spielen stoffschlüssige Verbindungen eine wichtige Rolle. Insbesondere im Kontext des Leichtbaus oder steigender Anforderungen an die Baugruppen kann durch den Einsatz stoffschlüssiger Fügeverfahren das Gewicht durch den Wegfall von Verbindungselementen wie Schrauben oder Nieten reduziert oder zumindest konstant gehalten werden. Dabei stellt das Schweißen neben dem Hart- und Weichlöten die bedeutendste Fügetechnologie dar. Diese untergliedert sich wiederum in eine Vielzahl verschiedener Verfahren, deren Eignung für den jeweiligen Anwendungsfall geprüft werden muss. Aktuell kommen im Stahl- und Kranbau hauptsächlich konventionelle Verfahren, wie das MSG-, WIG- und E-Hand-Schweißen zum Einsatz, da die Stückzahlen gering sind und der Schweißprozess meist durch Fachpersonal manuell durchgeführt werden muss. Weiterlesen

Das perfekte Klebe-Doppel

Beim Einkleben des Tanks in der Endmontage führt der Facharbeiter den Tank mit Hilfe eines Manipulators an einen Drehtisch, reinigt ihn, bringt ihn in die richtige Position und übergibt ihn zur weiteren Bearbeitung an den LBR iiwa.

Zwei sensitive KUKA Leichtbauroboter LBR iiwa arbeiten Hand in Hand mit den Werkern bei Klebeverfahren der Firma Dürr

Die Dürr AG ist ein weltweit führender Maschinen- und Anlagenbauer mit Stammsitz im baden-württembergischen Bietigheim-Bissingen. In enger Zusammenarbeit mit den Kunden entwickelt Dürr mit rund 16.000 Mitarbeitern an 92 Standorten in 28 Ländern integrierte Gesamtkonzepte für hocheffiziente Fertigungsprozesse. Zirka 60 Prozent des Umsatzes entfallen auf das Geschäft mit Automobilherstellern und -zulieferern. Als Lieferant schlüsselfertiger Anlagen für automatisierte Klebeprozesse entwickelt Dürr für die Automobilindustrie Roboterzellen mit Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). Weiterlesen