Hybridschweißen neu erfunden

Laserhybridschweißen gibt es beispielsweise im Schiffbau schon lange. Aber nur für ebene Bleche. Meiller steht nun kurz davor, das Laserhybridschweißen im 3D-Bereich für die Herstellung von Teleskopzylindern einzusetzen. A&Q hat die ersten Bilder.

Mitten in München international wettbewerbsfähig produzieren – wer kann das schon? Dafür werden von Meiller ständig neue Verfahren getestet und in die Produktion eingeführt. Das Laser-Hybridschweißen steht kurz vor dem Serienstart. Erstmals werden jetzt 3D-Teile geschweißt. Am Ende dürfen die Teile eine Toleranz von gerade einmal 8/100 mm aufweisen.

Nun bringt nicht jedermann Baumaschinen oder Baufahrzeuge sofort mit Präzisionsfertigung in Verbindung. Meiller-Kunden schon. Erst recht, wenn es um die hydraulische Einrichtung eines Fahrzeuges geht. Das sind in aller Regel dann Kippereinrichtungen.

Das Chassis kommt jeweils vom OEM. Üblicherweise kommt auf das Chassis ein Schweißrahmen und darauf der Aufbau, meist Kippmulden oder Container. Ein wichtiges Bindeglied ist die Hydraulik, wie nicht nur beim Kipper leicht zu erkennen ist. Dabei reicht die Geschichte von Meiller als Kipperhersteller bis ins Jahr 1904 zurück, als der erste Aufbau eines Windenkippers gefertigt worden ist. 1925 gab es dann einen technologischen Sprung: Statt Winden wurden jetzt hydraulische Kippeinrichtungen eingesetzt – bis heute eine der Kernkompetenzen des Meiller’schen Kipperbaus.

Für all die erforderlichen Produktionsschritte gibt es ein Netzwerk an Meiller-Betrieben. Einerseits versucht man, möglichst kundennah zu produzieren, andererseits werden Techniken zusammengefasst. Zylinder, Ventile und Pumpen werden zentral in München produziert. Alleine die hohe Fertigungstiefe ist ungewöhnlich, doch auch die Hydraulik selbst ist bemerkenswert. Denn statt der oft üblichen 210 bar setzt Meiller seit vielen Jahren auf Hochdruckhydraulik. Diese Hydraulik arbeitet mit 350 bis 400 bar, hat also eine enorme Kraftdichte: vergleichsweise kompakt bei hoher Leistung.

Strategisches Projekt

Was Schweißarbeiten betrifft, ist das Meiller-Werk in Slany/Tschechien der größte Standort – zu Spitzenzeiten mit über 1.000 Mitarbeitern. Lenka Novakova ist eine von ihnen. Die Schweißfachingenieurin mit Schwerpunkt Automatisierung ist derzeit im Stammwerk in München im Einsatz. Denn die Produktionseinführung des Laser-Hybridschweißens gilt als strategisches Projekt. Wichtigster Vorteil: Material wird eingespart und die Fertigung vereinfacht. Als „strategisch“ gilt das Laserhybridschweißen auch deshalb, weil bislang nicht automatisch geschweißt worden ist. Zunächst habe man versucht, einen reinen Laserschweißprozess zu implementieren. Novakowa: „Dazu hätten wir aber sehr geringe Toleranzen und genaue Fügeflächen haben müssen.“ Zudem seien beim reinen Laserschweißen die entstehenden Werkstoffhärten für den nachfolgenden Bearbeitungsprozess nicht unbedingt von Vorteil gewesen.

Jürgen Schleusener ist der Projektleiter im Leistungszentrum Hydraulik und treibt das Projekt seit zwei Jahren voran. Cloos war als Generalunternehmer sozusagen von Anfang an „gesetzt“ und hat den gesamten Anlagenbau verantwortet. Als Schleusener in das Projekt einstieg, seien 95 Prozent des Konzeptes und der Anlage schon fertig gewesen. Doch die restlichen fünf Prozent hatten es in sich: „Der Prozess steht. Hätten wir ein ebenes Bauteil, wären wir längst in Serie.“

Die zu schweißenden Teile für die Teleskopzylinder, bei Meiller „Pressen“ genannt, sind jedoch nicht nur rund, sondern auch hohl. Und im Inneren des Zylinders muss man Spritzer auf jeden Fall vermeiden, wenn man nicht noch einmal spanend nachbearbeiten will.

Meiller setzt sich selbst strenge Qualitätsregeln

Und dann ist da auch noch die Zertifizierung des Prozesses. Lenka Novakova: „Wir arbeiten in einem durch Normen nicht geregelten Bereich.“ Laserschweißen, MAG-Schweißen – in der reinen Lehre ist das alles geregelt, nicht so beim Laserhybridschweißen. Bei Meiller sieht man das eher als Chance, hohe Qualitätsvorstellungen zu realisieren. Novakova: „Die Regeln, die wir uns selbst auferlegt haben, sind strenger als die strengste Norm aus den einzelnen Bereichen.“ Anspruchsvoll ist der Prozess auch dadurch, dass die Zylinderelemente konstruktiv schon stark optimiert sind. Während im Schiffbau alleine durch die schiere Masse von Blech und Schweißnaht eine gewisse Sicherheit bezüglich der Bauteilstärke „integriert“ ist, muss man aus Gewichtsgründen bei Mobilmaschinen die Grenzwerte viel eher ausreizen.

Das gibt Lenka Novakova Gelegenheit, über eines ihrer Lieblingsthemen zu sprechen, die Qualitätssicherung: „Jeder Schritt, den wir im Prozess machen, ist bestimmt von Qualitätsüberlegungen.“ Es gibt eine statistische Prozesskontrolle und darüber hinaus jede Menge Einzelprüfungen. Die meisten Aufgaben sind bereits abgehakt, wie Jürgen Schleusener bestätigt: „Wir produzieren weitgehend unter Serienbedingungen, aber noch nicht für die Serie.“

Schweißen ist hier preiswerter als zerspanen

Was zukünftig als Schweißkonstruktion gefertigt wird, war bislang eine spanintensive Angelegenheit. Die Teile wurden aus Vollmaterial in Form gebracht. Schleusener: „Das ist die eigentliche Einsparung im Prozess.“ Jedes Element eines Teleskopzylinders wird aus einem Mittelstück und zwei Endstücken gefertigt.

Was als Ablauf einfach zu beschreiben ist, birgt in der Praxis einige Tücken. Hauptsächlich geht es darum, die mit Aufmaß angelieferten Teile zu waschen, zu positionieren und zu schweißen.

Was soll daran schwierig sein? Viel will Schleusener nicht verraten, nur so viel: „Die Lösung liegt in der Spanntechnik.“ Schließlich sollen die Teile mit einer Genauigkeit von 8/100 mm zueinander passen, wobei die Toleranz auf die Mittigkeit der drei rotationssymmetrischen Teile bezogen wird. Nach dem Schweißen wird innen die Naht bearbeitet und außen der Durchmesser auf das endgültige Maß gedreht. Die übrigen Prozessschritte beherrscht man schon lange. Außen wird der Kolben rolliert, auch um die Oberfläche zu verdichten. Das erhöht die Verschleißfestigkeit. Dann werden die Teile nitriert und es folgt ein so genannter Superfinish-Prozess. Die dunkle Nitrierschicht wird dabei entfernt und man erhält die beim Kunden beliebten, bei Wettbewerbern nahezu gefürchteten, äußerst verschleißfesten „Pressen“.

Teile bringen Präzision mit

Die zu verschweißenden Teile werden keineswegs vor dem Schweißen gepaart. Einschlägige Versuche hat man zwar zu Beginn des Projektes gemacht, aber keinen Einfluss auf die Qualität feststellen können. Die Teile müssen die Genauigkeit aus der Vorfertigung mitbringen.

Entscheidend für die Qualität ist, wo und wie Wärme in die Bauteile eingebracht wird. „Möglichst wenig Wärme“ ist deshalb der Maßstab für Lenka Novakova wenn es um den Schweißprozess geht. Deswegen wäre 2-Draht- oder Tandem-Schweißen auch keine Alternative gewesen. Das Nahtvolumen hätte das nahegelegt. Immerhin geht es beim Schweißen um Wandstärken bis 12,5 mm. Die mittlere Wandstärke liegt bei 9 mm. Nur schnell zu sein, was mit Tandem- oder Doppeldrahtschweißen sicher möglich wäre, ist nicht das Ziel.

Als Strahlquelle dient ein 10 kW-Faserlaser von IPG. Schleusener sieht darin einen wesentlichen Vorteil: „Wir können bei Bedarf relativ einfach erweitern.“ Wobei „einfach“ durchaus relativ ist. Denn in der Werkstatt kann eine solche Erweiterung nicht vorgenommen werden. Im Bedarfsfall würde der Laser zum Hersteller gebracht und dort unter Reinraumbedingungen aufgerüstet.

Doch das ist kein akutes Thema, denn: „Ausgelastet ist die Anlage derzeit noch lange nicht“, wie der Projektleiter sagt. Wenn das Schweißen der Zylinderelemente erst einmal prozesssicher läuft, werden weitere Teile auf der Anlage geschweißt werden, beispielsweise Kipplager. Denn auch diese Kipplager sind bislang Teile, die aus dem Vollen gedreht werden – mit hohem Zerspanungsvolumen, das man einsparen möchte.

Aufteilung des Prozesses wirkt sich auf Takt aus

Doch bevor tatsächlich geschweißt werden kann, ist ein bisschen „Arbeitsvorbereitung“ notwendig. Nur saubere und fettfreie Teile lassen sich ordentlich verschweißen. Deshalb ist der Schweißzelle eine Waschanlage vorgelagert. Deren Funktion ist ausschlaggebend für die Taktzeit. Während die reine Schweißzeit unter einer halben Minute pro Schweißnaht liegt, beträgt die Taktzeit um die vier Minuten. Um trotzdem einen kontinuierlichen Fluss zu gewährleisten, werden die Einzelteile für jeweils drei Zylinder in einzelnen Nestern aufgelegt und in den Waschvorgang gegeben. Nach dem Waschvorgang übernimmt ein Handlingroboter die Teile und legt sie in die Schweißstation ein. Die Abnahmepositionen sind dabei programmiert. Der Bediener ruft das jeweilige Programm auf, indem die Teile aus den Warenträgern beim Auflegen per Barcode identifiziert werden. Aus einer Datenbank holt sich die Steuerung alle Detaildaten, beispielsweise die jeweiligen Greifpositionen für den Handlingroboter. Fehler, etwa fehlende Teile, werden via Sensorsignal reklamiert. Dabei gingen die Anlagenbauer recht pragmatisch vor: „Man kann nicht an jeder Stelle jeden Fehler vermeiden.“ Sollte es tatsächlich ein falsches Teil bis vor die Schweißstation schaffen, würde spätestens die Sensorik im Greifer des Handlingroboters „dankend“ ablehnen. Die Automation hat man grundsätzlich nur so weit getrieben, dass die Anlage von einem Bediener gefahren werden kann. Alle Programme werden über Barcodes gestartet, womit die Fehlerquote schon einmal gering gehalten werden kann.

Verarbeitet werden Teile mit Außendurchmessern zwischen 46 und 214 mm. Die Teile sind zwischen 400 und 1.800 mm lang. Rüstaufwand? Das ist ein Punkt, an dem Jürgen Schleusener sich ganz entspannt zurücklehnt: „Wir haben keine Rüstzeit.“

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