Wirtschaftlich und nachhaltig: Rührreibschweißroboter vom Typ KR FORTEC schweißen Batteriegehäuse für Plug-in-Hybridfahrzeuge

Höchste Schweißqualität kombiniert mit einer grünen Technologie: Bei Nichteisenmetallen mit niedriger Schmelztemperatur und für metallische Mischverbindungen ist Rührreibschweißen – auch als Friction Stir Welding (FSW) bekannt – der optimale Prozess.

Für einen großen Autobauer hat KUKA sein Know-how in diesem Bereich eingesetzt und bisher drei Rührreibschweißzellen erfolgreich in Produk-tion genommen. So konnte nicht nur das Wärmemanagement von Plug-in-Hybrid-Batterien optimiert, sondern auch die komplex gestaltete Struktur der Speichergehäuse wirtschaftlich umgesetzt werden.

Diffizile Angelegenheit: Batteriegehäuse für Plug-in-Hybridfahrzeuge
E-Autos brauchen eine „Wohlfühltemperatur“ – zumindest ihre Batterien. Denn nur wenn sie richtig temperiert sind, bringen sie die optimale Leistung und erreichen die maximale Lebensdauer. Die Batterien müssen daher während des Betriebs gekühlt und bei niedriger Umgebungstemperatur erwärmt werden. Speziell bei Plug-in-Hybridfahrzeugen wird diese Aufgabe von Kühlsystemen übernommen, die in den Boden der Batterieträger integriert sind. Die Fertigung dieser Gehäuse ist äußerst diffizil und bietet daher einen optimalen Einsatz für roboterbasierte Rührreibschweißverfahren.

Das hat auch ein großer Autobauer erkannt, der die Batteriegehäuse zunächst mit Kle-ben und Schrauben fertigte. Als dieser Prozess jedoch nicht den gewünschten Erfolg brachte, sah man sich auf dem Markt nach einer neuen Lösung um. Die Anforderungen an die Batteriegehäuse sind dabei hoch: Die Ebenheit der Modulmontageflächen, die Dichtigkeit der Endlöcher und die Anforderungen der Drucktests müssen gewährleistet sein. Mit dem roboterbasierten Rührreibschweißen bot KUKA dem Autobauer im Be-reich der Plug-in-Hybridfahrzeuge eine prozesssichere und ökonomische Methode, wel-che die Sicherheit und Funktionalität der Batteriegehäuse garantiert.




Machbarkeitsstudien bei KUKA
Von der Anforderung über Tests bis zur Lieferung hat KUKA den Kunden begleitet. „Wir hatten bereits Prototypen entwickelt und mit diesen verschiedene Tests durchlaufen. In Machbarkeitsstudien haben wir die Schweißeignung geprüft, Erreichbarkeitsanalysen und Prozesssimulationen durchgeführt. Als alle Tests mehr als zufriedenstellend ausfielen, haben wir die Anlage beim Kunden installiert“, erklärt Stefan Fröhlke, Senior Manager Process Solution FSW bei KUKA. Die Rührreibschweißzelle KUKA cell4_FSW, die speziell für den wachsenden Markt der Elektromobilität entwickelt wurde, bietet aufgrund ihres modularen Konzepts neben herausragender wirtschaftlicher Effizienz ein Maximum an Vielseitigkeit und Konfigurationsmöglichkeiten.

Vorteile des Rührreibschweißens mit fester Schulter
Um das Kühlsystem der Plug-in-Hybridfahrzeuge zu verschließen, wird mittels Rührreib-schweißen das Bodenblech exakt entlang der Kühlkanäle mit dem Gussgehäuse verbun-den. Für einen druckdichten Kreislauf, der dem Wechseldruck standhält, werden ein großer Anbindungsquerschnitt und eine gut vermischte und verdichtete Naht benötigt. „Rührreibschweißen hat sich als geeignete Fügetechnologie herausgestellt, da sich die Komponenten durch den Wärmeeintrag möglichst wenig verziehen“, erklärt Stefan Fröhlke. Dabei setzt KUKA auf Rührreibschweißen mit fester Schulter (Stationary Shoul-der Friction Stir Welding, SSFSW). Das heißt: Anders als beim klassischen Rührreib-schweißen rotiert nur der Schweißstift in einer stationären Schulter. So entsteht wäh-rend der Vorschubbewegung entlang der Schweißnaht eine ebene, glatte Nahtoberflä-che. Der Aufwand für die Nachbearbeitung wird so reduziert.




Industrie 4.0: Qualitätsdaten transparent erfassen
Weitere Vorteile für den Kunden durch die Schweißzelle KUKA cell4_FSW: Durch Schwerlastroboter der KR FORTEC Reihe kann dank hoher Steifigkeit und Lebensdauer eine erhöhte Bahngenauigkeit an großen Bauteilen gewährleistet werden. „Gleichzeitig kann der Kunde durch unser Prozesskontroll- und Dokumentationssystem (PCD) alle wesentlichen Prozessparameter nachverfolgen und Qualitätsdaten transparent erfassen lassen“, betont Portfolio-Manager Till Maier. Dadurch hat KUKA eine Basis für die In-tegration von Industrie 4.0 geschaffen, denn der einfache Datenaustausch mit dem KUKA Remote Service ermöglicht unter anderem schnelle Hilfe und verhindert längere Ausfallzeiten.

Grüne Technologie mit Vorbildcharakter
Das Verfahren ist aber nicht nur ökonomisch und qualitativ hochwertig, sondern gilt auch als grüne Technologie. „Dank geringem Energieverbrauch ist Rührreibschweißen umweltfreundlich, zudem sind keine Rauchgasabsaugung oder Blendschutzmaßnahmen erforderlich“, erklärt Stefan Fröhlke. Diese Kombination aus Qualität, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit hat den Kunden überzeugt.

Die Erfolgsstory geht weiter
Die erste Zelle wurde nach einer Prototypen- und Testphase bereits 2016 erstmals in Deutschland in Produktion genommen und dient seither als Blaupause für weitere Zellen im Konzern. Im Rahmen der Erweiterung der Rührreibschweißkapazität hat der Auto-bauer die Prozessverantwortung neu strukturiert und an sein Tochterunternehmen nach Schweden abgegeben, das dafür speziell eine neue Halle gebaut hat. In diesem Zuge wurden zwei weitere Rührreibschweißzellen bei KUKA bestellt.




Die erste Zelle zog im September 2020 nach Schweden um, im Mai 2021 erfolgte die Vorabnahme der zwei neuen KUKA cell4_FSW Zellen in Augsburg. Schon zwei Monate später, im Juli 2021, konnten die beiden Zellen beim Kunden in Betrieb genommen wer-den. Die Verbesserungen gegenüber der ersten Zelle beeindruckten alle Beteiligten: Durch die Automatisierung des komplexen Hydraulikspannsystems konnte die Ge-samttaktzeit inklusive Bauteilhandling von vorher 20 auf nun 15 Minuten gesenkt wer-den, gleichzeitig verbesserte sich durch die Optimierung des Spannsystems die Qualität des Produkts.

Hohe Erwartungen – große Zufriedenheit
Die Anforderungen an die sicherheitskritischen Bauteile der Batteriegehäuse waren ext-rem hoch: Die Naht musste einem sehr hohen Berstdruck standhalten können, was ein Festigkeitstest zu belegen hatte. Spezielle Spannvorrichtungen und Schweißwerkzeuge mussten zusammen mit den Schweißparametern neu entwickelt werden. Das war aus-schließlich mit der FSW-Technologie umsetzbar, da unterschiedliche Aluminiumlegierun-gen (Knetlegierung an Aluminium-Druckguss) zu schweißen waren.

Zudem war eine schnelle Lieferung innerhalb von sechs Monaten die Bedingung für die Auftragserteilung. Dank der Expertise von KUKA in diesem Bereich konnten alle Anforde-rungen erfüllt werden. So äußerte der Kunde größtmögliche Zufriedenheit: „Die Zu-sammenarbeit war sehr offen, vertrauensvoll und zielgerichtet“, betonte Projektleiter Adel Ben Hassine, Sales & Proposal Engineering bei KUKA, „und der Kunde war über-rascht, wie schnell die Umsetzung erfolgte.“ Außerdem ließ sich ein Benefit in puncto Nachhaltigkeit erreichen: „Die Werkzeuge wurden mit dem Kunden zusammen so wei-terentwickelt, dass sich die Lebensdauer der Pins inzwischen verdoppelt hat.“

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