Kühlerträger aus Stahl leben länger

Im Jahr 2005 begann General Motors (GM) mit der Produktion seiner GMT-900-Plattform, der Basis für die Fahrzeugmodelle GMC Yukon und Sierra sowie die Chevrolet-Reihe Tahoe, Suburban und Silverado. Diese Sport Utility Vehicles (SUVs) und Pickups bezeichnen Analysten als Schlüsselprodukte des amerikanischen Autobauers.

Mit der Fertigung des Kühlerrahmenträgers für diese Modellreihe beauftragte der Konzern den Premium-Zulieferer Van Rob in Aurora, im kanadischen Bundesstaat Ontario. Der Träger ist ein entscheidendes Bauteil an der Fahrzeugfront, das den Kühler stützt und Kotflügel sowie Motorhaube mit Scheinwerfern und Kühlergrill verbindet. Die Umsatzerwartungen an die Modellreihe GMT 900 waren hoch – schließlich hatte General Motors jährlich etwa 1,8 Mio. Fahrzeuge der Vorgängerserie GMT 800 verkauft.

Knapp 900 000 Kühlerträger jährlich sollte Van Rob jeweils für die neuen Pick-ups und SUVs liefern. „Bei dieser großen Produktionszahl mussten wir mit den Herstellungskosten sehr sensibel umgehen“, erzählt Bo Lindgren, Konstruktionsleiter bei Van Rob. „Unsere Aufgabe bestand darin, bei der Produktion eine hohe Qualität und gleichzeitig einen minimalen Ausschuss sicherzustellen. Dabei mussten wir mit hoher Geschwindigkeit schweißen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.“

Die Aluminium-Kühlerträger, die Van Rob in der Serie GMT 800 und anfangs auch in den GMT-900-SUV einbaute, stellten einige Herausforderungen an das Fertigungsverfahren. „Wir fragten uns, wie wir das Werkstück konstruieren können, um es noch besser und billiger zu machen“, sagt Lindgren. Sein Ziel: Das neue Bauteil sollte zum Beginn des Serienanlaufs im folgenden Jahr einsatzbereit sein. „Wir wollten eine Neukonstruktion in Stahl, um so Gewicht und Kosten zu senken.“ Die angestrebte Arbeitsgeschwindigkeit und -qualität setzte jedoch ein neues Schweißverfahren voraus. Die MIG-Technik war zu langsam und ihr Wärmeeintrag beeinflusste die Form. Schließlich entschied sich Van Rob für CO2-Laser: wegen seiner hohen Ausgangsleistung und Strahlqualität, aber auch aufgrund seiner Prozesssicherheit und der präzisen Strahlführung. „Bei einem Arbeitstakt von zwölf Sekunden müssen wir schnell schweißen und äußerst präzise arbeiten“, erklärt Lindgren. „Es bleibt keine Zeit für Nachbesserungen.“

Da das Laserschweißen um einiges schneller als MIG-Schweißen ist, benötigen die Kanadier weniger Fertigungsinseln, um die Arbeit in der gleichen Zeit auszuführen. „Wenn wir alles mit MIG-Schweißzellen bearbeitet hätten, hätte das zu viel Platz beansprucht“, sagt Lindgren. Weiterer Vorteil des Laserschweißens: Es werden weniger Spannvorrichtungen benötigt, was die Werkzeugkosten deutlich senkt. „Ein weiterer willkommener Kostenvorteil.“

Lindgrens Team begann damit, verschiedene Schweißgeometrien zu testen und die Produktionslogistik zu hinterfragen. „Dieser Aufwand ist vor allem beim Laserschweißen unabdingbar“, erklärt der Konstruktionsleiter. „Nur so können Prozesse weiter optimiert werden. In dieser Phase haben wir deshalb eng mit Trumpf zusammengearbeitet.“ Um mehr über den neuesten Stand der Technik herauszufinden, reisten Lindgren und sein Team nach Europa. Durch die Vermittlung der Ditzinger Trumpf GmbH & Co. KG konnten sie einen Blick auf die Produktion bei Volkswagen und den dortigen Einsatz der Lasertechnik werfen. Dem neu erworbenen Wissen und den Erfahrungswerten aus der Praxis folgten erste Prototypen. „Nachdem 80 Prozent der Tests erfolgreich verlaufen sind, waren sich sogar die Skeptiker unter uns einig, dass das neue Verfahren gut funktionieren würde“, berichtet Lindgren.

Sechs Teile des Kühlerträgers werden heute mit dem Laser geschweißt. Lindgren schätzt, dass bei der Herstellung täglich ungefähr 22 km Schweißnaht gesetzt werden. Sein Team wählte verschiedene Schweißverbindungen aus, optimiert für jedes Profil: Um eine effektive Verbindung zu gewährleisten, wird bei vier Teilen eine Stumpfnaht verwendet. Bei Profilen länger als 1,60 m setzt der Laser eine Überlappnaht, was auch bei stark gekrümmten Materialkonturen funktioniert. Im Laufe der Entwicklung kam es zur Einführung von verzinktem Material – und das Team sah sich mit neuen Herausforderungen konfrontiert. „Beim Schweißen von verzinktem Stahl entsteht viel Gas. Dadurch können die Schweißstellen porös werden“, erklärt Lindgren. „Deshalb haben wir uns für eine T-Verbindung entschieden, durch deren beide Öffnungen das Gas sehr schnell entweichen kann.“ Als weitere Herausforderung erwies sich die unterschiedliche Materialdicke, die dank der Lasertechnik jedoch ohne Schwierigkeiten bewältigt werden konnte. Sogar bei laufender Produktion können nun Einstellungsänderungen vorgenommen werden – und der Laser schweißt sowohl dünnes als auch dickes Material problemlos.

Neben den reduzierten Kosten, der kürzeren Fertigungszeit und dem geringeren Bedarf an Produktionsfläche bringt das neue Verfahren einen weiteren Vorteil: die Steigerung der Qualität. „Das neue Bauteil leistet deutlich mehr als das ursprüngliche“, sagt Lindgren. „Am Ende des Lebenszyklus eines Aluminium-Bauteils bildeten sich oft einige, wenn auch akzeptable Risse. Erstaunlicherweise gab es jedoch keine in den Stahlteilen.“ Die Stahlkonstruktion sei also eindeutig robuster.

„Wir arbeiten ständig an unseren Produkten, um sie weiter zu optimieren, und suchen immer nach noch besseren Herstellungsverfahren“, sagt Lindgren. „Deshalb haben wir in die neueste Technik von Trumpf investiert. Man muss seiner Konkurrenz immer einen Schritt voraus sein – oder jemand anderes setzt die Benchmarks und man selbst gerät ins Hintertreffen.“ Diese Einstellung der Kanadier ist die Basis ihres Erfolgs. GM hat Van Rob in den letzten zehn Jahren zum Supplier of the year ernannt.

Klaus Löffler Leiter Vertrieb International Trumpf Laser- und Systemtechnik, Ditzingen

Schweißverbindungen – für jedes Profil optimiert