Die Batterien von E-Autos brauchen eine Wohlfühltemperatur. Nur dann bringen sie die optimale Leistung und erreichen ihre 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 diffizil und lässt sich am besten mit einem roboterbasierten Rührreibschweißverfahren umsetzen.
Ein Automobilhersteller hatte die Batteriegehäuse zunächst mit Kleben und Schrauben gefertigt. Als dieser Prozess nicht den gewünschten Erfolg brachte, sahen sich die Entwickler auf dem Markt nach einer neuen Lösung um. Die Anforderungen an die Batteriegehäuse sind hoch. Die Ebenheit der Modulmontageflächen, die Dichtigkeit der Endlöcher und die Anforderungen der Drucktests müssen gewährleistet sein. Mit dem roboterbasierten Rührreibschweißen konnte der Roboterbauer Kuka im Bereich der Plug-in-Hybridfahrzeuge eine prozesssichere und wirtschaftliche Methode anbieten, mit der die Sicherheit und Funktionalität der Batteriegehäuse garantiert werden konnte.
Kuka hat den Anwender von der Anforderung über Tests bis zur Lieferung begleitet. „Wir hatten bereits Prototypen entwickelt und mit diesen verschiedene Tests durchlaufen“, erklärt Stefan Fröhlke, Senior Manager Process Solution FSW bei Kuka. „In Machbarkeitsstudien haben wir die Schweißeignung geprüft und darüber hinaus Erreichbarkeitsanalysen und Prozesssimulationen durchgeführt. Als alle Tests zufriedenstellend ausfielen, haben wir die Anlage beim Kunden installiert.“ Die Rührreibschweißzelle Kuka Cell4-FSW, die speziell für die Elektromobilität entwickelt wurde, bietet dank ihres modularen Konzepts eine hohe wirtschaftliche Effizienz und zudem viele Möglichkeiten bei der Konfiguration.
Um das Kühlsystem der Plug-in-Hybridfahrzeuge zu verschließen, wird mit dem 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 Fügetechnik herausgestellt, da sich die Komponenten durch den Wärmeeintrag wenig verziehen“, erklärt Stefan Fröhlke. Der Roboterbauer setzt dabei auf Rührreibschweißen mit fester Schulter. Anders als beim klassischen Rührreibschweißen rotiert bei dieser Methode 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 auf diese Weise reduziert.
Die Schweißzelle hat noch weitere Vorteile, denn der eingesetzte Schwerlastroboter aus der KR Fortec-Reihe bietet eine hohe Steifigkeit und Lebensdauer, was die Bahngenauigkeit an großen Bauteilen verbessert. Gleichzeitig kann der Anwender mit einem Prozesskontroll- und Dokumentationssystem alle wesentlichen Prozessparameter nachverfolgen und Qualitätsdaten transparent erfassen. Damit haben die Robotik-Experten eine Basis für die Integration von Industrie 4.0 geschaffen, denn der einfache Datenaustausch mit dem Remote Service von Kuka bietet schnelle Hilfe und verhindert längere Ausfallzeiten.
Das Verfahren ist nicht nur ökonomisch und qualitativ hochwertig, sondern gilt zudem als grüne Technologie. „Das Rührreibschweißen verbraucht weniger Energie und ist damit umweltfreundlich“, weiß Stefan Fröhlke. „Zudem sind weder Rauchgasabsaugung noch Blendschutzmaßnahmen erforderlich.“ Diese Kombination aus Qualität, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit hat den Autobauer überzeugt.
Die erste Zelle wurde nach einer Testphase 2016 in Deutschland in die Produktion genommen und dient seither als Blaupause für weitere Zellen im Konzern. Im Rahmen der Erweiterung der Rührreibschweißkapazität hat der Autobauer die Prozessverantwortung neu strukturiert und an sein Tochterunternehmen in Schweden abgegeben, das dafür 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 Zellen mit der Bezeichnung „Kuka Cell4-FSW“ in Augsburg. Zwei Monate später konnten beide Zellen in Betrieb genommen werden. Die Verbesserungen gegenüber der ersten Zelle beeindruckte den Anwender. So konnte durch die Automatisierung des komplexen Hydraulikspannsystems die Gesamttaktzeit inklusive Bauteilhandling von 20 auf 15 min gesenkt werden. Gleichzeitig verbesserte sich durch die Optimierung des Spannsystems die Qualität des Produkts.
Die Anforderungen an die sicherheitskritischen Bauteile der Batteriegehäuse waren hoch. Die Naht musste einem hohen Berstdruck standhalten können, was mit einem Festigkeitstest nachgewiesen werden muss. Spezielle Spannvorrichtungen und Schweißwerkzeuge mussten zusammen mit den Schweißparametern neu entwickelt werden. Das konnte ausschließlich mit Rührreibschweißen umgesetzt werden, da unterschiedliche Aluminiumlegierungen zu schweißen waren, nämlich Knetlegierung an Aluminium-Druckguss. Nicht zuletzt 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. (us)
Kontakt:
KUKA Deutschland GmbH
Zugspitzstraße 140
86165 Augsburg
Tel. +49 (0)821 7970
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