Durch Rührreibschweißen, auch FSW (Friction Stir Welding), lassen sich Komponenten unterschiedlicher Materialstärken und Legierungen verzugsarm und gasdicht verschweißen. Auf den ersten Blick mag es verwundern, dass diese Fügetechnik in einem Atemzug mit folgenden Unternehmen genannt wird: einem Fräswerkzeughersteller (Hufschmied) und einem Hersteller von Motormähern und Schneefräsern (Rapid Technic).
Doch das Unternehmen aus Killwangen im Kanton Aargau hat einen zweiten wichtigen Geschäftsbereich: In der Bahntechnik, dem Nutzfahrzeugbau und in der Medizintechnik ist Rapid ein gesuchter Auftragsfertiger. Aus dessen Serviceangebot mit Engineering, Vorrichtungsbau, Prototypen-, Einzel- und Serienfertigung, Montage und Logistik sticht das Friction Stir Welding als eine weitere Kompetenz besonders heraus: Auf mehreren FSW-Bearbeitungszentren mit hohem Automatisierungsgrad werden bei Rapid auch komplexe Bauteile in Serie gefertigt, teils auf Großanlagen mit Prozesskräften bis zu 65 kN.
Ein abgebrochener Pin, der in der Schweißnaht feststeckt, ist der Fehler, den es bei dieser Technik unbedingt zu vermeiden gilt. Ein großer Auftrag zur Bearbeitung von Gehäusen für die Leistungselektronik war der Anlass für Projektleiter Heinz Weiss bei Rapid, nach Tools zu suchen, die höhere Standzeiten aufweisen und damit eine höhere Prozessstabilität bieten.
Fräswerkzeug-Hersteller weiß weiter
„Seit 2019 haben wir verschiedene Werkzeuge einer großen Zahl von Anbietern evaluiert – man kann hier letztlich nur nach dem Trial-and-Error-Prinzip vorgehen“, sagt Weiss. „Wir sind dann im Internet auf einen Anbieter gestoßen, der uns auf diesem Gebiet bisher kein Begriff war, der uns aber mit seinem einzigartigen Katalog gleich aufgefallen ist: Hufschmied.“
Die Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH mit Sitz in Bobingen bei Augsburg ist bekannt als Hersteller von Fräswerkzeugen mit Spezialisierung auf besonders anspruchsvolle Werkstoffe wie Glas- und Karbonfaserverbundstoffe, Kunststoffe und Graphit, Keramiken und gehärtete Stähle bis 72 HRC. Basierend auf der Erkenntnis, dass Material, Maschine, Werkzeug, Bearbeitungsstrategie und die gesetzten Qualitätsanforderungen einen Bearbeitungsprozess bestimmen, geht bei Hufschmied die Weiterentwicklung von Werkzeugen Hand in Hand mit dem Optimieren der Prozesse beim Kunden, abgestimmt auf die jeweilige Maschine und die Qualitätsanforderungen.
Da er überzeugt ist, dass dies nicht nur für Fräswerkzeuge, sondern auch für FSW-Pins gilt, bot Björn Herbst, Geschäftsführer von Hufschmied Zerspanungssysteme Schweiz, Beratung bei der Auswahl der Werkzeuge an. Bei dem Projekt von Rapid Technic ging es um ein in Sandguss gefertigtes Gehäuse, bei dem integrierte Kühlmittelwege mit einer aufgeschweißten Platte dicht verschlossen werden sollten.
Hufschmied schlägt Hartmetall-Werkzeuge vor
Die FSW-Verbindung sollte zwischen den Legierungen 5083 und 6082 erfolgen. „Die Wahl fiel auf einen FSW-Pin mit zylindrischem Kopf aus unserem Standardprogramm. Wenn nötig, hätten wir für die Anwendung bei Rapid aber auch ein Sonderwerkzeug entwickelt“, sagt Björn Herbst. „Wir haben festgestellt, dass – wie bei Fräswerkzeugen auch bei den FSW-Pins – Werkzeuggeometrien und Beschichtungen einen großen Einfluss auf den Prozess haben.“
Die Stifte für das Rührreibschweißen bestehen vielfach aus Werkzeugstahl. Hufschmied weicht davon ab und bietet FSW-Tools aus Vollhartmetall an. In Versuchen wurde festgestellt, dass Härte und Wärmefestigkeit von VHM im Vergleich zu Werkzeugstahl zu einem besseren Verschleißverhalten führen.
Standzeiten verbesserten sich um 50 Prozent
Vor allem aber können die Werkzeuge höheren Prozesskräften standhalten. Dadurch wird das von Anwendern gefürchtete Abscheren der Pins während der Bearbeitung verhindert. Durch die Hufschmied-Werkzeuge aus VHM konnte Rapid die Standzeit um etwa 50 Prozent verbessern.
Doch die Fähigkeiten im Fräswerkzeugbau, die das schwäbische Unternehmen in der Weiterentwicklung von FSW-Pins nutzt, beziehen sich nicht nur auf die VHM-Bearbeitung: Geschliffene Oberflächen bei den Pins sorgen für gleichmäßigeren Materialfluss und geringere Anhaftungen. Die Toleranzen des Schleifprozesses, die Hufschmied fertigungsbedingt bieten kann, sorgen für einen gleichmäßigeren Wärmehaushalt und damit gleichmäßigere Schweißnähte.
Auch Werkzeugbeschichtungen wirken sich auf den Prozess aus. Nicht zu unterschätzen ist zudem der Einfluss der Mikrostrukturen am schraubenförmigen Kopf der Pins, der das plastifizierte Aluminium knetet. Es stellte sich heraus, dass Rapid noch mehr als nur die Standzeit steigern konnte.
Schweizer Lob für Hufschmied-Tools: Prozesskosten sinken
Erich Striffler, Leiter Verkauf Contract Manufacturing bei Rapid Technic AG, stellt fest: „Wir haben größere Prozesssicherheit. Der geringere Verschleiß hat trotz der im Stückpreis teureren Werkzeuge die Kosten gesenkt. Wir konnten zudem die Produktivität steigern.“
Die Gefügebilder der Makroschliffe waren homogen und fehlerfrei. Die Geometrie der Hufschmied-Werkzeuge sorgt dafür, dass die Bearbeitung vibrationsarm und mit geringerem Kraftaufwand erfolgt. Dies macht den Prozess maschinenschonend und erlaubt größere Eindringtiefen und Vorschübe. „Wir haben nun erstmals die Möglichkeiten unseres größten FSW-Zentrums vollständig ausgereizt“, zeigt sich Maschinenbediener Reto Vögeli beeindruckt.
Entscheidend: Gemeinsame Prozessoptimierung
Bei Rapid ist man zufrieden mit den neuen Werkzeugen und will auch für zukünftige Prozessoptimierungen mit Hufschmied zusammenarbeiten. „Rapid ist einer unserer Referenzanwender im Rührreibschweißen und wenn wir Weiterentwicklungen beispielsweise bei Beschichtungen haben, werde ich sie hier sofort vorstellen“, versichert Björn Herbst.
Hatte zunächst der FSW-Katalog beeindruckt, war es am Ende die gemeinsame Prozessoptimierung, die neben den Schweißergebnissen überzeugte. Erich Strifflers knappes Urteil zur Zusammenarbeit: „Super gsi“ (Schweizerdeutsch für „war super“). (os)
Kontakt:
Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH
Edisonstr. 11d
86399 Bobingen
Tel.: +49 8234 9664–0
www.hufschmied-tools.com/de
Das Schliffbild zeigt eine vorbildliche Schweißverbindung.Bild: Hufschmied Zerspanungssysteme
Rührreibschweißen – der Prozess
Rührreibschweißen, englisch Friction Stir Welding (FSW), ist ein Pressschweißverfahren. Ein rotierender profilierter Stift erzeugt Reibenergie zwischen fest eingespannten Fügepartnern. Durch den Wärmeeintrag kommt es zur Plastifizierung. Bei relativ geringen Temperaturen wird eine stabile, gasdichte Verbindung mit minimalem Verzug erzeugt.
Das Verfahren ist besonders für Aluminiumlegierungen geeignet und hat den Vorteil, dass auch Legierungen miteinander verbunden werden, die man sonst nicht schweißen kann. Probleme wie Heißriss- oder Porenbildung, die beim Schmelzschweißen von Aluminiumlegierungen durch den Phasenübergang verursacht werden, treten beim Rührreibschweißen nicht auf, da es keine flüssige oder dampfförmigen Phase gibt. Insbesondere die Flüssigkeits- und Gasdichtheit macht FSW für Behälter aus Aluminium interessant.
