Friction Stir Welding: Optimierte Energiezuführung für ein perfektes Ergebnis

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Soll eine Schweißnaht Werkstücke druck- und mediendicht verbinden und ein sicheres Crash-Verhalten aufweisen, ist Rührreibschweißen immer öfter die erste Wahl. ­Maschinenbauer Grenzebach hat mit einem doppelten Twisterband HD von Igus diese materialschonende Schweißtechnologie noch flexibler gemacht und neue Einsatzfelder erschlossen.

Schweißen. Das bedeutet gleißendes Licht, sprühende Funken, hohe Lautstärke, zischende Gase, erhebliche Emissionen und enorme Hitze. Nicht so beim Rührreibschweißen: Geräusch- und emissionsarm zieht der Schweißkopf der FSW-Portalmaschine (FSW steht für Friction Stir Welding, englisch für Rührreibschweißen) 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 Flexibilität durch eine besondere Energiezuführung.

Nachfrage nach Friction Stir Welding-Anlagen steigt

Die eindrucksvolle Demonstration erfolgt bei dem Anlagenhersteller Grenzebach am Haupt- und Fertigungsstandort in Hamlar. 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 Friction Stir Welding 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 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.

Prädestiniert für Aluminium-Werkstoffe

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 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 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 von 60 Sekunden mehrmals um mindestens 360 Grad vor- und zurückdrehen, und das bei sehr kleinem Bauraum – eine Herausforderung für die Energieführung.

Energieführung als Problemlöser beim Friction Stir Welding

„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 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. Sünger erklärt: „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 engem Raum möglich, selbst bei Geschwindigkeiten bis zu 180 Grad pro Sekunde. 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, erläutert: „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 Vertriebsleiter Sünger die Erwartungshaltung der Kunden. Dass die neue Lösung hält, was sie verspricht, zeigen auch die ersten Versuche in den neuen Maschinen: „Die Lösung ist sehr robust und zuverlässig”, betont 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”.

Der Autor Michael Offner ist Head of Global Industry Management bei Igus.

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