Flexibilität durch Freiheit im Raum

von Dr. Holger Walch Die Laser welding cell von weil engineering – ein neues, modulares Multi-Achsen- und Laser-Schweißsystem für Mittel- und Großserien – hat sich bei den Automobilzulieferern smk und PWO bestens bewährt. Die Zelle überzeugt mit präzisem, wirtschaftlichem Laserschweißen komplexer Bauteile in großen Stückzahlen und hoher Flexibilität.

Die Laser welding cell (LWC) ist eine Weiterentwicklung eines von der weil engineering gmbh bereits in verschiedenen hochproduktiven Anlagen eingesetzten modularen Achssystems. Die vier Achsen der Bearbeitungsoptik in Verbindung mit einer oder mehreren Werkstückachsen ermöglichen eine dreidimensionale Bearbeitung der Bauteile. Für einfache Rund- oder Längsnähte stehen Anlagen mit entsprechend weniger Achsen zur Verfügung. Der Einsatz eines Doppeltisches erlaubt manuelle wie automatische Be- und Entladeprozesse parallel zur Bearbeitungszeit. So können der Laser wirtschaftlich genutzt und die Stückzahlen erhöht werden. Das Gesamtpaket beinhaltet neben der Maschine die geeignete Spanntechnik, Verfahrensoptimierung, Service und Dienstleistungen.

Der Schweißzelle ist als modulares Konzept entwickelt und verfügt je nach Ausbaugröße zwischen ein bis vier optischen Achsen zuzüglich möglicher Bauteilachsen. Zentrale Komponente der LWC ist der kompakte Schweißkopf, der sich durch seine bessere Zugänglichkeit exzellent für den 3D-Einsatz eignet. Er kann dadurch jeden Raumpunkt innerhalb eines Kubus von 700 mm Kantenlänge mit dem Laserstrahl erreichen. Die Kinematik des Schweißkopfes schweißt Linear-, 2D- wie 3D-Nähte in hoher Präzision.

Die Innovation der Neuentwicklung von weil engineering liegt besonders in einer Neuanordnung aller Medienkanäle im Schweißkopf. Die schlauchlose Medienführung gestattet einen Schwenkwinkel der B-Achse (Vertikale) von ± 110° und in der C-Achse (Horizontale) um ± 210°. Eine große Bewegungsfreiheit ist dadurch gewährleistet. In Kombination mit verschiedenen Werkzeugachsen kann damit eine Vielzahl von Schweißoperationen in höchster Präzision nach DIN EN ISO 15616/1, B ausgeführt werden. Unterschiedliche Brennweiten sowie ein einfacher und schneller Spiegeltausch sind ebenfalls gegeben.

Bei der smk systeme metall kunststoff gmbh & co. konnte sich die LWC bereits erfolgreich bewähren. Die Firma mit Sitz in Filderstadt, Baden-Württemberg, ist ein Systemlieferant im Automotive-Bereich, für den sie vor allem Aktuatorik für Turbolader produziert. Für die Fertigung von AGR-Bypassklappen für Abgaskühler suchte smk eine Großserienschweißanlage mit hochpräzisen, frei programmierbaren Mehrachsen-Schweißvorrichtungen, die verschiedene Anforderungen zu erfüllen hatte. So mussten 13 Einzelteile aus fünf verschiedenen Werkstoffen durch 14 Nahtgeometrien in Rund-, Linear- und Freiform bei Spaltmaßen bis 0,4 mm verschweißt werden. Und dies bei Einhaltung der Mindestschweißtiefe und Verhinderung von Schweißrückständen, Lunkern und Rissen zur Sicherung einer 100-prozentigen Dichtheit gegen bis zu 850 °C heiße Abgase. Eine maximale Taktzeit von 60 Sekunden, hohe Fertigungssicherheit und eine hohe Variabilität der Anlage bei Produktänderungen und Produktwechsel waren weitere Vorgaben.

Nach Untersuchung verschiedener Anlagenkonzepte entschied sich smk für die Laser welding cell von weil engineering. Die kompakte Anlage teilt sich auf vier separate Schweißzellen auf, die von vier Werkern bedient und von zwei 3,2-kW-Lasern versorgt werden. Über eine intelligente Strahlführung und eine Schaltzeit von weniger als 0,1 Sekunden wird der Laser jeweils dort zur Verfügung gestellt, wo ein Schweißprozess angefordert wird. Bei Ausfall einer Laserquelle lassen sich sogar mit einem Laser bei leicht reduzierter Taktzeit alle vier Stationen betreiben.

Die Schweißvorrichtungen sind als Module mit Werkzeug-Schnellwechselsystem ausgeführt und zwischen den Zellen austauschbar. Dies erhöht die Fertigungssicherheit und sorgt für kurze Rüstzeiten. Trotz der relativ komplexen 5-Achs-Bearbeitung durch den Laser verfügen die Vorrichtungen zusätzlich über Dreh-, Kipp- und Schwenkachsen. Dadurch kann jede erdenkliche Freiformfläche bestmöglich positioniert und dynamisch angefahren werden.

„weil engineering lieferte ein optimales Anlagenkonzept mit hoher Flexibilität und geringem Platzbedarf, das für die Fertigung unterschiedlicher Produkte einsetzbar ist. Zwei Laser, Strahlführungen mit bis zu fünf Achsen und ein intelligentes Strahlmanagement ermöglichen die Wiederholgenauigkeit und das Schweißen der Bauteile in vier Stationen. Unsere Anforderungen wurden voll erfüllt“, betont Thomas Bächner, Geschäftsführender Gesellschafter von smk. Mittlerweile hat das Unternehmen bereits eine baugleiche zweite Anlage mit weiteren vier Zellen in Betrieb genommen.

Weniger die Stückzahlen als eine erhöhte Flexibilität stand bei der Investitionsentscheidung der PWO Progress-Werk Oberkirch AG im Vordergrund. Das im badischen Oberkirch beheimatete Unternehmen ist ein weltweit renommierter Full-Service-Zulieferer der Automobil- und Elektroindustrie. Zur Herstellung von Lenksäulen- und Luftfeder-Baugruppen orderte PWO bei weil engineering eine Laser welding cell, die im Frühjahr 2009 in Betrieb ging. Der südbadische Maschinenbauer zeichnete für das Konzept und den Bau der Anlage verantwortlich, die Spanntechnik lieferte die ebenfalls zur weil-gruppe gehörende conntronic Prozesstechnik GmbH.

Mit der kompakten Schweißzelle werden aktuell 15 unterschiedliche Bauteile gefertigt. Die rund 5 m lange, 3,5 m hohe und 2 m tiefe Anlage besteht aus zwei Stationen, in denen die Bauteile im Wechsel geschweißt und bestückt werden.

Die darauf produzierten Lenksäulen sind für Pkws bestimmt, maximal 320 mm lang und 1 kg schwer. Als Werkstoff dient Feinkornbaustahl. Hubert Leible, der die Schweißaufsicht für das gesamte Werk Oberkirch hat, definiert die Hauptanforderungen an die Schweißtechnik so: „Entscheidend ist ein geringer Verzug, weil einige Lagersitze an den Lenksäulen befestigt werden. Ebenso wichtig ist eine Zugänglichkeit von 360 Grad, da wir in allen Bauteil-Bereichen Schweißnähte haben. Des Weiteren darf es keine Schweißspritzer auf den Gleitflächen geben.“

Bis zu 30 Nähte pro Bauteil müssen gesetzt werden. Zwei Werkzeugachsen – eine Drehachse am Werkzeug (A-Achse) und eine Verfahrachse (X1- beziehungsweise X2-Achse) – sowie die vier Achsen der Bearbeitungsoptik (Y-, Z-, B-, C-Achse) gewährleisten eine optimale Zugänglichkeit.

Als Laserquelle für die beiden Stationen dient ein 3,3-kW-CO2-Laser von Rofin, der über eine Linearachse von einer Station zur anderen wechselt. Die beiden Stationen sind über ein Schleusensystem voneinander getrennt. Ein kompletter Schweißzyklus dauert je nach Komplexität der Bauteile und Nahtzahl zwischen 15 und 40 Sekunden.

Die Laser welding cell bei PWO arbeitet nach dem 2-Stationen-Prinzip. Der Werker bestückt in der einen Station die Werkstückvorrichtung mit bis zu zehn Einzelteilen. Die Teile werden durch die Aufnahmevorrichtung pneumatisch gespannt. Anschließend prüft die Sensorik, ob die Einzelteile für das jeweilige Werkstück richtig eingelegt sind. Zeitgleich wird in der anderen Station der LWC das Bauteil automatisch geschweißt. Der Werker wechselt nach jedem Schweißzyklus die Station zur Entnahme der fertigen Bauteile und zum erneuten Beladen der Werkstückvorrichtungen.

„Wir haben bewusst ein halbautomatisches System gewählt, da wir keine großen Stückzahlen, aber ein relativ großes Spektrum an Bauteilen haben“, erläutert Hubert Leible. Er ergänzt: „Durch das Zwei-Stationen-Prinzip der LWC haben wir eine hohe Flexibilität. Wir können bei Bedarf auch unterschiedliche Teile auf den beiden Stationen bearbeiten oder auf der einen Station die Vorrichtungen wechseln und auf der anderen weiterschweißen.“ Flexibilität sei, so Leible, auch durch die Werkzeuge gegeben, die einen schnellen Teile- und Vorrichtungswechsel ermöglichten. Mit der LWC ist man bei PWO sehr zufrieden. Eine zweite Anlage für das Werk Oberkirch ist derzeit im Gespräch.

www.weil-engineering.de