Flexible Vorrichtungen für das Laserschweißen



Flexible Spannvorrichtungen können beim Laserschweißen zum Bestimmen und Spannen verschieden geformter Bauteile eingesetzt werden. 

 

Für niedrige Stückzahlen bei kleinen Losgrößen bieten sich Baukastenvorrichtungen oder universelle Spannmaschinen an. Bei größeren Stückzahlen erlauben Hybridvorrichtungen mit Standardteilen eine bessere Zugänglichkeit.

 

Unterschiedlich geformte Werkstücke können höchst flexibel durch eine Stiftmatrix gespannt werden. Die Stifte werden entweder pneumatisch an die Bauteile angelegt und anschließend über Klemmhülsen fixiert, oder sie werden hydraulisch, z. B. über eine plastische Masse gegen die Bauteile gedrückt.

 

Im Rahmen von Verbundforschungsprojekten soll die praktische Eignung und Wirtschaftlichkeit dieser Konzepte mit Hohlprofilproben und Realbauteilen auf flexiblen Spannvorrichtungen untersucht werden.

Flexible Produktionssysteme

Flexible Produktionssysteme können für verschiedene Aufgaben eingesetzt werden. In der Lasermaterialbearbeitung können durch geeignete flexible Vorrichtungen verschiedene Typen und Varianten kurzfristig, d. h. mit geringem Umrüstaufwand, in ein und demselben System bestimmt, gespannt und bearbeitet werden. Der geringe Fokusdurchmesser des Laserstrahls und die große Energiedichte führen zu einer hohen Geometrieflexibilität, die es erlaubt, Werkstücke mit unterschiedlichsten zwei- und dreidimensionalen Geometrien zu bearbeiten, allerdings mit Problemen bei kleinen Radien und schlechter Nahtzugänglichkeit [EVER 92,122]. In der Großserienfertigung, speziell im Automobilbau, werden die Variantenflexibilität, die Typflexibilität, die Nachfolgeflexibilität und unterhalb der Grenzstückzahl die Stückzahlflexibilität als Entscheidungskriterien für den Lasereinsatz genannt [DVS 143,189].

 

Die Lasermaterialbearbeitung bietet außerdem eine große Anzahl von Flexibilitätsarten, die den Lasereinsatz fertigungstechnisch auszeichnen. Die wirtschaftliche Nutzung dieser Flexibilitätsarten sollte durch flexible Spannvorrichtungen keinesfalls eingeschränkt sondern möglichst erleichtert werden. Die Verfahrensflexibilität ermöglicht es, den Laser als universelles Werkzeug beim Trennen, Fügen, Beschichten, Ur- und Umformen, Beschriften und beim Ändern der Stoffeigenschaft einzusetzen. Dadurch und durch die Losgrößenflexibilität des Lasers bietet sich speziell für kleine und mittelständische Unternehmen die Möglichkeit, mit einer Laseranlage verschiedenste Produktionsverfahren für die flexible Fertigung immer kleiner werdender Losgrößen zu erschließen [VDW 90,9]. Weil Laserresonatoren mit unterschiedlichen Wellenlängen verfügbar sind, läßt die Werkstoffflexibilität neben der Metallbearbeitung die Bearbeitung unterschiedlichster Werkstoffe zu. Das sind beispielsweise Kunststoff, Glas, Keramik, Holz, Papier, sowie Verbundwerkstoffe.

Stiftmatrix mit Klemmhülsen

Stiftmatrix mit Kostyrka Klemmhülsen [KOST 93,20]
Stiftmatrix mit Kostyrka Klemmhülsen [KOST 93,20]

Durch den Einsatz einer Stiftmatrix kann eine höchst flexible Spannvorrichtung geschaffen werden. Von der Firma Kostyrka in Stuttgart werden geschlitzte, hydraulisch betätigte Klemmhülsen angeboten, die beispielsweise zum Spannen von Turbinenschaufeln eingesetzt werden. Nach dem Auflegen und Fixieren des Werkstückes wird der Druckluftanschluß mit Druckluft beaufschlagt, wodurch sich die Stützbolzen an die Werkstückkontur anlegen. Anschließend werden die Stützbolzen über die Klemmhülsen blockiert, indem Drucköl - oder bei Schweißvorrichtungen ein nicht brennbares flüssiges Druckübertragungsmedium - mit einem Druck von etwa 50 bar auf den Druckölanschluss gegeben wird. Ein Austauschen der Stützbolzen durch Bolzen unterschiedlicher Länge ermöglicht die Anpassung der Spannvorrichtung auch an extrem unterschiedliche Schaufelformen [KOST 93,20].

 

Der zwischen Bolzen und Umgebung entweichende Luftstrom hat eine selbstreinigende Wirkung, indem er das Eindringen von Kühlwasser und Spänen in den Spalt verhindert. Dichtungen sollten deshalb nicht vorgesehen werden. Wenn eine nachgiebige Gegenhalterung eingesetzt wird, kann die ungeklemmte Stiftmatrix auch als kompliente Spannvorrichtung verwendet werden. Untersuchungen müssten zeigen, ob in diesem Fall die Druckluft besser durch plastische Massen oder hochviskose Elastomere ersetzt werden sollte.

 

Die Firma Kostyrka liefert für den Bau einer Stiftmatrix auch komplette "Hydrounterstützer in Patronenform", die ursprünglich für den Einsatz in der Flugzeugbauindustrie entwickelt worden sind. Dort werden sie in großer Zahl zum Abstützen von Leichtmetallbauteilen in Kopierfräsmaschinen eingesetzt Bei einem Bolzendurchmesser von 10 mm wird bei einem Öldruck von 500 bar einen Mindestverschiebewiderstand von 3000 N pro Hydrounterstützer garantiert. Durch einen Außendurchmesser der Klemmhülsen von nur 20 mm ist eine hohe Zahl von Stützstellen möglich.

 

Wenn die Bolzen zeitweise entnommen werden, sollte sicherheitshalber eine Klemmsicherung vorgesehen werden, die verhindert, daß die Klemmhülsen leer gespannt werden, was zu einer irreparablen Zerstörung führen würde.

 

Bei schweren und unempfindlichen Teilen kann auf die feinfühlige Anstellung mit Druckluft verzichtet werden. In diesen Fällen wird der Bolzen über eine Anstellfeder, die zwischen zwei Schrauben gespannt ist, gegen das Werkstück gedrückt. Beim Klemmen wird das Öl über den Druckölanschluss zugeführt. Der Bolzen kann beim erstmaligen Befüllen zum Entlüften herausgeschraubt werden. Für den Druckausgleich bei der Kolbenverschiebung kann durch Belüftungsanschluss, der mit einem Sintermetalifilter gegen Verschmutzung gesichert ist, Luft von außen zugeführt werden. Dabei muss sichergestellt werden, dass keine Flüssigkeiten, wie Kühlmittel oder Schneidöl, angesaugt werden. Die gegenüberliegende Bohrung ist standardmäßig verschlossen, weil sie in diesem Anwendungsfall nicht benötigt wird. Die Klemmhülse wird mit einem Schraubring, in den ein leichtgängiger Abstreifer eingesetzt ist, gegen den Gehäuseboden gedrückt.

 

In der Automobilindustrie werden Hydrounterstützer angewendet, bei denen der Stützbolzen über einen Hydraulikzlinder angestellt wird. Je nach Lage des Stützbolzens werden die Kräfte durch eine zwischen den Hydraulikzylinder und den Sützbolzen zwischengschaltete Feder auf 30-80 N begrenzt.

 

Stiftmatrix zum Laserschweißen von Profilen

Bei der experimentellen Untersuchung von flexiblen Spannvorrichtungen empfiehlt sich die Bearbeitung von standardisierten Bauteilen, um mit geringem Aufwand Vergleiche mit den Schweißergebnissen anderer vornehmen zu können.

Am Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus der RWTH Aachen wurde dafür 1993 das hier dargestellte einfach herstellbare Ausgangsprofil für Schweißbarkeitsproben entwickelt. Aus jeweils zwei Profilen dieser Art können Hohlprofile erstellt werden, an denen Versuche mit verschiedenen Fugen- und Nahtvarianten durchgeführt werden können. Durch die Verwendung von verschiedenen Radien, Flanschbreiten und Blechdicken b wird der Forderung nach Praxisnähe entsprochen. Der größte Radius mit R = 15 mm ermöglicht Untersuchungen an räumlich verlaufenden Nahtfugen, die durch einen schrägen Schnitt durch das Profil erzeugt werden können [RADA 93,95].

 

Die Profile lassen sich unverändert zu 5 sinnvollen Paaren zusammenstellen. Wenn das rechts dargestellte, längere Blech ein weiteres Mal nach innen oder außen abgekantet wird, ergeben sich 4 weitere Kombinationen, so dass auch Drei-Blech-Nähte und radienseitige Bördelnähte mit Strahlenfalle untersucht werden können.

 

Die Breite des Profils ist im Standard nicht festgelegt. Wenn Kehlnähte am Flansch geschweißt werden sollen, sollte erfahrungsgemäß ein Blechüberstand des unteren Bleches mindestens in Größe der Blechdicke b vorgesehen werden, d. h. die Profilbreite würde mit 63,5 mm - b angenommen. Beim Schweißen von Stirnflächennähten mit der gleichen Profilanordnung dürfte der Versatz nicht über ±0,5 mm liegen, so dass die Profilbreite in diesem Fall auf 63,5 ± 0,5 mm toleriert werden müsste. Die Aufspannung dient zum Schweißen von Ecknähten. In ähnlicher Weise könnten mit ihr aber auch I-Nähte am T-Stoß geschweißt werden, indem das obere Bauteil etwas nach links geschoben wird. In Abhängigkeit von Flansch- und Rollenbreite könnte dabei eine weniger aufwendig konstruierte Rolle mit außenliegendem Fokuspunkt eingesetzt werden. Mit der durch die Verschiebung entstehenden Profilkombination können auch Untersuchungen an Kehlnähten am T-Stoß durchgeführt werden. Allerdings hat die Rolle dabei keine toleranzausgleichende Anpresswirkung, so dass die Dicke des Schweißspalts ausschließlich von der Vorrichtung definiert werden muss.

 

Das hier schematisch gezeigte Konzept zur flexiblen Spannung von Hohlprofilen in einer Stiftmatrix wurde 1994 von AluStir entwickelt. Durch die Stifte zweier L-förmiger Matrizen werden die Bauteile kinematisch bestimmt: In vertikaler Richtung werden sie gegeneinander gepresst, die horizontale Positionierung erfolgt, indem die Teile gegen Bestimmstifte gedrückt werden.
In Abhängigkeit von der Länge der Bauteile werden mehrere Stiftreihen hintereinander angeordnet. Um ein Kippen der Bauteile zu vermeiden, sind die Stifte im gespannten Zustand nicht beweglich. Bei langen Bauteilen ist wegen der großen Hebelkräfte abzusehen, dass die Komplienz zum Toleranzausgleich und zur relativen Positionierung des Laserstrahls nicht durch elastisch verschiebbare Stifte erfolgen kann. Bei der L-förmigen Anordnung ergäben sich außerdem schwer berechenbare Reibungskräfte zwischen den Stiften und den Bauteilen. Die Komplienz muss daher entweder zwischen Bauteil und Tisch oder in Abhängigkeit vom Gesamtgewicht der Bauteile und der Vorrichtung im Roboterhandgelenk eingerichtet werden. Durch eine Anpressrolle mit innenliegendem Fokuspunkt wird die relative Positionierung zwischen Strahl und angestrebter Schweißnaht in senk- und waagerechter Richtung gewährleistet.

Zum Schweißen von Kehlnähten am Flansch oder Überlappstoß kann die hier skizzierte Profilkombination eingesetzt werden. Die Aufspannung erfolgt, indem zuerst das untere Profil von links gegen den Bestimmstift gepresst wird, und dann das obere Bauteil von oben und rechts relativ dazu positioniert wird.

Literaturverzeichnis

  • [DVS 143] Deutscher Verband für Schweißtechnik e.V.: 'Roboter '89.' DVS-Verlag, Düsseldorf, 1989. TUM-Bibliothek TUM 001/79 B 431/118.
  • [EVER 92] Walter Eversheim: 'Lasergerechte Konstruktion und Fertigung.' VDI Verlag, Düsseldorf, 1992.
  • [KOST 93] Kostyrka GmbH: 'Klemmhülsen - Kostyrka klemmt kraftvoll.' Kostyrka GmbH, Motorstraße 41, 70499 Stuttgart, 1993.
  • [RADA 93] D. Radaj, R. Koller, U. Dilthey, O. Buxbaum, F. Welsch et al: 'Laserschweißgerechtes Konstruieren.' Daimler Benz AG, Forschung und Technik, Epplestraße 225, 70546 Stuttgart, Juli 1993.