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Wirtschaftlich und nachhaltig: Roboter schweißen Batteriegehäuse für Plug-in-Hybrid-Autos
Höchste Schweißqualität kombiniert mit einer grünen Technologie: Bei Nichteisenmetallen mit niedriger Schmelztemperatur und bei metallischen Werkstoffen 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 Produktion genommen.
Diffizile Angelegenheit: Batteriegehäuse für Plug-in-Hybridfahrzeuge
Statt ein Auto mit Verbrennungsmotor fahren mittlerweile viele lieber ein elektrisches Fahrzeug. Was aber viele nicht wissen: Ein Elektroauto braucht eine „Wohlfühltemperatur“ – zumindest die Batterien. Denn nur wenn sie richtig temperiert sind, bringen sie die optimale Leistung und erreichen die maximale Lebensdauer. Die Lithium-Ionen-Batterien müssen daher während des Betriebs gekühlt und bei niedriger Umgebungstemperatur erwärmt werden. Speziell bei einem Fahrzeug vom Typ Plug-in-Hybrid 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 FSW-Verfahren.
Friction Stir Welding: Schweißverfahren für Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge
Roboterbasiertes Friction Stir Welding in der Batteriefertigung: So funktioniert es.
Rührreibschweißen für Elektroauto mit Plug-in-Hybrid
Das hat auch ein großer Autobauer erkannt, der die Batteriegehäuse zunächst mit Kleben und Schrauben fertigte. Als dieses Verfahren 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 und die Dichtigkeit der Endlöcher müssen gewährleistet und die Kriterien der Drucktests erfüllt sein. Mit dem roboterbasierten Rührreibschweißen bot KUKA dem Autobauer für die Herstellung von Plug-in-Hybrid-Elektroautos eine prozesssichere und ökonomische Methode, welche die Sicherheit und Funktionalität der Batteriegehäuse garantiert.
Machbarkeitsstudien zum Schweißen der Batterie-Gehäuse
Von der ersten Idee 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.
Die Rührreibschweißzelle KUKA cell4_FSW bietet maximale Prozessauslastung dank zweier Arbeitsstationen.
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.
Vorteile des Rührreibschweißens mit passendem FSW-Werkzeug
Um das Kühlsystem der Plug-in-Hybrid-Modelle zu verschließen, wird mittels Rührreibschweißen das Bodenblech exakt entlang der Kühlkanäle mit dem Gussgehäuse verbunden. 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 das Verfahren. Dabei setzt KUKA auf Rührreibschweißen mit fester Schulter (Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW). Das heißt: Anders als beim klassischen Rührreibschweißen rotiert nur der Schweißstift in einer stationären Schulter. So entsteht während der Vorschubbewegung entlang der Schweißnaht eine ebene, glatte Nahtoberfläche. Der Aufwand für die Nachbearbeitung wird so reduziert.
Rührreibschweißen eignet sich optimal für Batterie-Gehäuse in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug vom Typ Plug-in-Hybrid.
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 Integration von Industrie 4.0 geschaffen. Zusätzlich erlaubt der einfache Datenaustausch mit dem KUKA Remote Service schnelle Hilfe bei Problemen und verhindert somit längere Ausfallzeiten.
Umweltbewusst fahren: Grüne Technologie für das Elektroauto
Das Verfahren ist 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.
Das FSW-Verfahren verbraucht wenig Energie und ist daher auch nachhaltig.
Rührreibschweißen: Erfolgsstory für Elektroautos geht weiter
Die erste Anlage wurde nach einer Prototypen- und Testphase bereits 2016 erstmals in Deutschland in Produktion genommen und dient seither als Blaupause für die Herstellung von Batteriegehäusen elektrisch betriebener Fahrzeuge im Konzern. Im Rahmen der Erweiterung der Rührreibschweißkapazität hat der Automobilhersteller 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.
Neues Automatisierungskonzept reduziert die Taktzeit um 25%
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 Anlagen beim Kunden in Betrieb genommen werden. Die Verbesserungen gegenüber der ersten Zelle beeindruckten alle Beteiligten: Durch die Automatisierung des komplexen Hydraulikspannsystems konnte die Gesamttaktzeit inklusive Bauteilhandling von vorher 20 auf nun 15 Minuten gesenkt werden, gleichzeitig verbesserte sich durch die Optimierung des Spannsystems die Qualität des Produkts, beispielsweise die Schweißnaht.
Beispiel einer Mäandernaht zum Verschließen der Kühlkanäle. Die Schweißnaht spielt beim Elektroauto eine wichtige Rolle.
Hohe Erwartungen an das Schweißen der Aluminium-Legierungen
Die Anforderungen an die sicherheitskritischen Bauteile der Batteriegehäuse im Auto waren extrem hoch: Die Schweißnaht musste einem sehr hohen Berstdruck standhalten können, was ein Festigkeitstest zu belegen hatte. Spezielle Spannvorrichtungen und das passende Werkzeug mussten zusammen mit den Schweißparametern neu entwickelt werden. Das war ausschließlich mit der FSW-Technologie umsetzbar, da unterschiedliche Legierungen aus Aluminium (Knetlegierung an Aluminium-Druckguss) zu schweißen waren.
Rührreibschweißen ist für ein Auto mit Plug-in-Technologie ein ökonomisches und ökologisches Verfahren.
Die Zusammenarbeit war sehr offen, vertrauensvoll und zielgerichtet und der Kunde war überrascht, wie schnell die Umsetzung erfolgte.
Schnelle Umsetzung führte zu einer großen Kundenzufriedenheit
Zudem war eine schnelle Lieferung innerhalb von sechs Monaten die Bedingung für die Auftragserteilung. Dank der Expertise von KUKA in diesem Bereich konnten alle Anforderungen erfüllt werden. So äußerte der Kunde größtmögliche Zufriedenheit: „Die Zusammenarbeit war sehr offen, vertrauensvoll und zielgerichtet“, betonte Projektleiter Adel Ben Hassine, Sales & Proposal Engineering bei KUKA, „und der Kunde war überrascht, wie schnell die Umsetzung erfolgte.“ Außerdem ließ sich ein Benefit in puncto Nachhaltigkeit erreichen: „Die Werkzeuge wurden mit dem Kunden zusammen so weiterentwickelt, dass sich die Lebensdauer der Pins inzwischen verdoppelt hat.“
