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Roboterbasierendes Kunststoff-Hybridschweißen

Auto-Scheinwerfer und -Leuchten aus Blech und Glas waren gestern. Heute bestimmen Kunststoffe das automobile Design. Jetzt eröffnet eine schlüsselfertige Hybridschweißanlage neue Freiheiten für Größe und Design der Leuchten. Darin übernimmt der Industrieroboter Stäubli TX90L alle für den Fügeprozess nötigen Energie-Einbringungen und die QS.

Mit dem innovativen Anlagenkonzept, das die gesamte State-of-Art-Schweißtechnologie an den Stäubli TX90L bindet, revolutioniert LPKF das Kunststoffschweißen für automobile Rückleuchten.


Was wären moderne Autos ohne die immer raffinierter designten Kunststoffleuchten? Doch waren den Designern bis dato durch die verfügbaren Fertigungsprozesse enge Grenzen hinsichtlich Größe und Freiformen gesetzt. Spannungsarmes Fügen gelang mit den üblichen Vibrations- oder Heizelement- Schweißverfahren lediglich bis zu einer gewissen Baugröße und relativ flachen Geometrien der Werkstücke. Zudem mussten unregelmäßige Schweißnähte aufwendig durch schwarze Anspritzkanten der transparenten PMMA-Scheiben kaschiert werden.

Das Laser-Konturschweißen sprengt die Grenzen traditioneller Kunststoff-Fügeverfahren und eignet sich damit bestens für das Fügen der heute gängigen Leuchtengehäuse, etwa aus ABS oder einem ABS/PC-Blend, mit den transparenten Scheiben aus PMMA. Per Laserstrahl gelingen hochwertige 3D-Schweißnähte bei geringen mechanischen Belastungen der Werkstücke. Doch die Kunst liegt in der exakten Einbringung der Energie, und es geht noch besser: Die LPKF Laser & Electronics AG in Erlangen hat in Kooperation mit dem Bayerischen Laserzentrum das roboterbasierende Laser-Hybridschweißverfahren entwickelt und seit 2005 in mehreren Versuchsanlagen erprobt. Auch in der Serienfertigung hat das patentierte Verfahren sein Können bereits erwiesen. Seit einiger Zeit wird die großformatige Rückleuchte des Hyundai Equus mittels Laser-Hybridschweißen gefügt.

Die Weiterentwicklung dieser Technologie mit integriertem Knickarmroboter Stäubli TX60L wurde auf der Fakuma 2009 vorgestellt. In der aktuellen Serienlösung für die Leuchtenproduktion setzt LPKF jetzt auf einen elegant gekapselten Sechsachs-Roboter Stäubli TX90L und einen Drehteller. Mit diesen Features hat die vollautomatische Schweißzelle LPKF TwinWeld3D das Zeug zur Revolutionierung des Kunststoffschweißens. Kürzere Prozesszeiten, drastisch geringere Werkzeug- und Materialkosten, die Einsparung des zeitaufwendigen Tempervorgangs, perfekte Optik und neue Designfreiheit sprechen für das innovative Verfahren.

Laserschweißen im Wärmefeld
Im Unterschied zum reinen Laserschweißen wird beim Hybridverfahren Wärme nicht nur in das laserabsorbierende untere sondern auch in das transparente obere Kunststoffteil eingebracht. Dazu wird die monochromatische Laserstrahlung, die den transparenten Fügepartner nicht direkt erwärmen kann, mit langwelligem polychromatischem Halogenlicht vereint. Dies erschließt die Möglichkeit zur genau an den jeweiligen materialspezifischen Schmelzpunkt beider Fügepartner angepassten Temperaturwahl beim Schweißprozess. Die Kombination der Energiequellen erhöht die Prozessgeschwindigkeit und sichert optisch hervorragende, zudem spannungsarme Schweißnähte. Durch das gleichmäßigere Erwärmen und Abkühlen beider Fügepartner kann das bei anderen Kunststoff-Schweißverfahren nötige Tempern zum Spannungsabbau entfallen.

Gerade für die Automobilzulieferer im Bereich Licht bieten sich damit entscheidende Vorteile. Diese und die neue Möglichkeit zum Fügen sehr großer Kunststoff-Leuchten mit ausgeprägten Freiformflächen dürften ausschlaggebend für die Order der ersten drei schlüsselfertigen Anlagen LPKF TwinWeld3D gewesen sein.

Im Inneren der klimatisierten Hybrid-Schweißzelle mit Rundschalttisch führt der innovative Stäubli TX90L das Regiment. Aus seiner präzise geführten Hand treffen der Laserstrahl und das Halogenlicht auf dem Werkstück auf. Während der Roboter der Kontur des Werkstückes folgt, sorgt die mitgeführte luftgefederte Fügerolle mit bis zu 300N für exakten Formschluss der beiden Kunststoff-Partner. Das Ergebnis ist eine spannungsarme, derart präzise und schlanke Schweißnaht ohne Ausfransungen, dass sie quasi als Zierlinie im Sichtbereich des Bauteils willkommen ist.

„Zur Umsetzung des Hybrid-Schweißverfahrens ist die Flexibilität eines Sechsachsers mit hoher Bahngenauigkeit Voraussetzung“, erklärt Produktmanager Manuel Sieben von LPKF. „Dass wir uns unter den Robotern am Markt gezielt für den Stäubli entschieden haben, hat mehrere Gründe. Der TX90L liegt bei der Bahn-Wiederholgenauigkeit mit ±0,035 Millimetern deutlich über anderen Robotern und baut bei der benötigten Traglast sogar als „L-Variante“ mit 1.200 Millimeter Reichweite sehr kompakt. Auch die offene VAL3-Steuerung kommt unseren Bedürfnissen zur Integration in der Zelle entgegen. So können wir dem Kunden ein durchgängiges, sehr bedienfreundliches System übergeben.“

Sechste Achse für luftgefederte Fügerolle
Nur im ersten Moment klingt die hohe geforderte Traglast von fast 15 Kilogramm erstaunlich. Ein Blick auf den Roboter in der Schweißzelle lüftet das Rätsel: Zusätzlich zum hohen auszuführenden Anpressdruck der Fügerolle, hat der Roter die gesamte Schweißtechnik ‚Huckepack’ zu tragen. Die Laser-Energiequelle mit einem aufwendigen Hochleistungs-Kühlsystem wird mitgeführt, so dass lange Faserleitungen mit all ihren Nachteilen entfallen.

“Noch vor zwei Jahren wäre solch ein Anlagen-Konzept unmöglich gewesen, denn damals hatte allein die Kühlung eines vergleichbaren Lasers noch die Dimension eines 19“-Einschubs“, meint Manuel Sieben. „Durch eine Spezialanfertigung der Stäubli-Entwickler in Bayreuth wurde an der fünften Achse die Möglichkeit geschaffen, statt des mitdrehenden Gehäuses einen komplexen Schweißkopf mit einem ringförmigen Halogenemitter anzuflanschen. Dieser und der mittige durchtretende Laserstrahl werden über einen aufwendigen, goldbeschichteten Reflektor ins Unendliche abgebildet. Dann werden beide Strahlungsquellen über eine gemeinsame Linse auf einen Punkt fokussiert. Das ist das Neue und sehr aufwendige an dieser Anlage.“

Auch die zum Laserschweißen benötigte Fügerolle, die den senkrecht wirkenden Spanndruck auf die Bauteile erzeugt, befindet sich an der Hand des Stäubli-Roboters – namentlich als dessen sechster Achse. Diese stellt sich als Zahnrad mit Planetenrädern dar, die einen luftgefederten Zahnkranz mit einem Arm für die gekühlte Anpressrolle antreiben. Sie ist von den Drehbewegungen des Schweißkopfes entkoppelt. Die integrierte Luftfederung sichert die oberflächenschonende Führung der Rolle auch bei großen Bauteil-Toleranzen.

Integrierte Qualitätssicherung
Eine innovative Prozessüberwachung misst die Bauteilhöhe während des Schweißprozesses, der mit 80–150 mm/s abläuft. Mit dieser Messung lassen sich Einzelteiltoleranzen durch Beeinflussung der Steuerungs-Parameter kompensieren. Auch das System zur Qualitätssicherung ist im Schweißkopf integriert und basiert auf den Reflexionseigenschaften der Schweißnaht.

Manuel Sieben: „Während des Schweißprozesses, bei dem die Leistung des Lasers sowie des Halogenstrahlers in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit gesteuert wird, laufen jede Menge mathematische Berechnungen ab. Als Master fungiert eine SPS mit Schnittstellen zu einer PC-Steuerung. Diese kommuniziert mit der Roboter-Steuerung Stäubli CS8C, die auf VAL3 basiert und uns deutliche Programmiervorteile bietet. Das Resultat sind stabile Prozesse bei sehr hoher Bedienfreundlichkeit über den Touchpanel der Anlage. Darauf sieht der Anwender die Anlage in Aufsicht und kann Bahnpunkte des Roboters sehr schnell nachteachen. Das kommt bei Maßabweichungen der Kunststoffteile je nach Charge durchaus häufig vor. Wahlweise kann dazu auch das Hand-Bedienteil von Stäubli eingesetzt werden. Wir sind sehr zufrieden und werden diese innovative Zelle ausschließlich mit dem Stäubli-Roboter anbieten.“

Da der komplette Schweißkopf mit Fügerolle im Roboter integriert ist, entfällt im Vergleich zu anderen Kunststoff-Schweißverfahren das Oberwerkzeug. Bauteil-spezifische Werkzeugkosten entstehen lediglich für das Unterwerkzeug, das im Rahmen der Konstruktionsunterstützung von LPKF gefertigt wird. Somit übertragen sich Schnelligkeit und Flexibilität des Sechsachsers auf die gesamte Schweißzelle. Rund 30 Sekunden Prozesszeit für das Schweißen einer durchschnittlichen Rückleuchte und der Entfall des rund 30minütigen Tempervorgangs setzen einen neuen Maßstab.

Mit dem Hybrid-Schweißverfahren sowie mit dem innovativen Anlagenkonzept, das die gesamte State-of-Art-Schweißtechnologie im Roboter integriert, gehen die Erlanger Laser-Spezialisten einen erfolgversprechenden Weg. Fast beliebig designte automobile Rückleuchten, die bei diesem Verfahren sogar im Vorfeld mit LEDs bestückt werden können, dürften in Zukunft das Gesamt-Design der Fahrzeuge prägen.

 

Mehr Informationen zur Stäubli GmbH:

Kontakt  Herstellerinfo 
Stäubli GmbH
Theodor-Schmidt-Strasse 19
95411 Bayreuth
Tel.: +49 (0) 921 883 0
Fax: +49 (0) 921 210 60
www.staeubli.de
 

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