Anwendungsfälle des Rührreibschweißens – Wer erzielt die größten Vorteile?

Vortrag von Stephan Kallee, stephan.kallee@alustir.com, Tel. +49 6024 6360123, Mobil: +49 1520 7788943 bei der Fachtagung Rührreibschweißen, SLV Berlin-Brandenburg, 27.-28. Mai 2025

1. Industriesektoren

• Schiffe, Schienenfahrzeuge, Luft- und Raumfahrt
• Automobilbau, insbesondere E-Mobilität
• Luft- und wassergekühlte Kühlkörper u. Batteriewannen

2. Portal, CNC-Bearbeitungszentren und Roboter

• Ein BAZ schweißt so schnell wie zwei Roboter
• Konstante Anpresskraft in einfachen CNC-Maschinen

3. Finanzielles Risiko und technischer Erfolg

• Der Aufwand für Spanntechnik wird oft unterschätzt

4. Marktanalyse

• FSW-Maschinen und FSW-Werkzeuge nach Regionen
• SWOT-, PESTEL-  und DROC-Analysen

5. FSW-Normen

• ISO 25239, AWS 17.3 und ASME IX
• DVS-Merkblätter
    

Alu-Paneele für Schiffbau und Bohrinselbau

• Typische Breite bis 3,5 m für LKW-Transport 
• Einbau von kompletten Modulen mit dem Werftkran

Verkürzung der Durchlaufzeiten in der Werft 

• Strangpressprofilhersteller liefern vorgefertigte Paneele 
• Lackierung nicht erforderlich

Hohe Qualität der Strangpressprofile erforderlich

• Engere Toleranzen (z.B. Säbeligkeit) als in der Norm
• 10% Schrott am Anfang/Ende des Strangpressprofils
• Keine Oxide: Profile vor dem FSW in der Halle lagern 

Auslegung mit hohem Sicherheitsfaktor

• Wanddicke auf das MIG-Schweißen auslegen
• Hauptvorteil: Geringer Verzug und gute Toleranzen

Klassifikationsgesellschaften 

• ABS, Bureau Veritas, DNV, Lloyd‘s Register, RINA etc. 
• WPS-Qualifizierung mit vielen Gutachtern gleichzeitig  

Alu-Paneele für Personenzüge und Straßenbahnen

• Verschweißen von Alu-Hohlprofilen 
• Viel weniger Verzug, keine „Hungry Horse Appearance“

Exzellente Crashsicherheit

• Festigkeitssteigerung nach Ladbrook-Grove-Unfall
• Nur ein Todesopfer bei der Entgleisung in Cumbria

Import von Zügen aus Asien

• Japaner exportieren nach Europa und fertigen dort
• China baut viele FSW-Hochgeschwindigkeitszüge 

FSSW – Rührreibpunktschweißen im Dach

• FSSW von Alu-Dächern aus patentrechtlichen Gründen
• Gewichtseinsparung im Dach besonders vorteilhaft

Güterwagen 

• Alutanks für Tankwagen in Südafrika  
• Spinforming für Tankwagen in Russland 
• Seitenwände für den Kohle- und Erztransport

Eclipse 500

• 270 Businessjets Eclipse 500 wurden FSW-geschweißt, von denen im Juli 2009 noch 266 im Einsatz waren
• Hydraulisch angetriebene Portal-FSW-Maschine MTS ISTIR 1.25 mit 6 Freiheitsgraden und 1,25 t (12,5 kN)

AJT: Laderampe und Cargo Floor der Boeing C-17

• Zehennägel (Toe Nails) der Laderampe aus der schwer schmelzschweißbaren Alu-Legierung AA7050-T7451
• Unter dem Motto „besser, leichter, schneller und billiger“ konnte durch FSW ein Titan-Gussteil durch ein Zusammenbauteil aus 7000er-Alu ersetzt werden

Wettlauf zwischen Alu und Carbonfaser

• CFK reduziert das Gewicht bei überlegener Steifigkeit

Nächster Trend

• Wasserstofftanks für CO2-neutrale Flugzeuge
• H2 hat bei -253°C viermal mehr Volumen als Kerosin

Boeing war FSW-Pionier mit den Delta II und Delta IV Raketen

• Maschinen-Amortisation durch Reparatur einer VPPA-geschweißten Delta II Rakete (Start im August 1999)
• Bis Juli 2001 insgesamt 2100 m fehlerfreie FSW-Nähte für Delta II Raketen u. 1200 m für die größere Delta IV
• FSW-Design von Delta IV brachte Kostenersparnis von 60 % und reduzierte Fertigungszeit von 23 auf 6 Tage.

Aufwendige FSW-Maschinen u. Spannvorrichtungen

• Trend: Regenschirm-artige Spannvorrichtung für Tanks

Spinforming von neu entwickelten Al-Li-Legierungen 

• Erst: 2219-O/T62 
• Dann: Al-Li-Legierungen 2195 und 2050 in O/T62 mit 5% weniger Dichte und 5% höherem E-Modul
• Jetzt: 2050-T84 mit 27% höherer Zugfestigkeit und17% höherer Duktilität als 2219-T87

Satelliten und militärische Raketen

• Weltraumforschung, kommerzielle Anbieter und Verteidigungsindustrie arbeiten Hand in Hand

Vor allem durch Tier 1 und Tier 2 Auto-Zulieferer

• Fertigungstiefe gering halten: Wenig Schweißprozesse
• Roboter-FSW mit 23 Robotern bei Honda, Ohio

Trend: Wassergekühlte Gehäuse für E-Autos

• Absolut wasser- und gasdichte Nähte im Aluguss
• Chinesische Zulieferer mit mehr als 50 FSW-Maschinen

Tailor Welded Blanks

• FSW unterschiedlicher Blechdicken vor dem Tiefziehen
• Nichtlineare Nähte

FSSW – Rührreibpunktschweißen für Türen

• FSSW von Türen und Klappen ohne dicke RSW-Kabel
• Zykluszeit von etwa 1 sec wird angestrebt

Herausforderungen 

• Werkzeugverschleiß (oft mehr als 1400 m pro Werkzeug)
• Schweißgeschwindigkeit (schneller als Laser MIG hybrid)
• Aufwendige Spannvorrichtungen

CNC-Fräsen vor und nach dem FSW-Schweißen 

• Maßgeschneiderte Kühlplatten auf Aluminiumbasis mit hervorragender thermischer Leistung und hoher Vielseitigkeit bei niedrigen Entwicklungskosten
• Atherm verwendet FSW sowohl für kleine Serien, die beim Prototyping benötigt werden (A- und B-Muster),als auch für große Lösgrößen in der Serienproduktion

Unterschiedliche Drehzahlen beim Fräsen und FSW

• FSW erfordert vergleichsweise langsame Drehzahlen bei hoher Anpresskraft
• Automatischer Werkzeugwechsler oder Kopfwechsler

CFD (Computer Fluid Dynamics)

• Der Wärmeaustausch kann durch Modellierung des Kühlwasserstroms optimiert werden
• Bionische Wärmetauscher

Bisher: Gewalztes Blech auf Aluminium-Druckguss

• Formkon A/S in Dänemark stellt mit einem Stirweld FSW-Kopf absolut wasserdichte wassergekühlte Hochleistungselektronik-Gehäuse aus Aluminiumguss und Aluminiumblechdeckeln her
• Formkon liefert auch Druckgussteile aus Zink und Magnesium, insbesondere für Elektrofahrzeuge und die Bereiche Sport, Lifestyle und Schifffahrt

Trend: Gussdeckel auf Gussgehäuse

• Dreidimensionale Naht-Geometrien können mit 500-kg-Knickarmrobotern geschweißt werden
• Formschrägen und/oder große Spaltmaße erfordern oft eine spanende Vorbearbeitung
• Kopfwechsel oder Werkzeugwechsel zwischen CNC-Fräser und FSW-Werkzeug werden industriell genutzt 

Forschung und Entwicklung: aiCAMstir

• Pfiffige KI-Algorithmen zur Parameteroptimierung
• Adaptive Parameterregelung für hohe Geschwindigkeit
• Verschleißminimierte WPS für mehr Nachhaltigkeit

Werkzeugauslegung

• Stiftlänge = Blechdicke oder Einschweißtiefe
• Stiftdurchmesser = Stift-länge
• Schulterdurchmesser = 3 × Stiftdurchmesser

Design Guidelines

• Stufenbreite = Pindurchmesser
• Stegbreite (Mittelsteg) = 2 × Pindurchmesser
• Spaltbreite < 10 % der Pinlänge
• Dummy-Schweißungen auf der Unterseite, um den Verzug zu minimieren

Komplettlösungen

• Planung, Spezifikation
• Schlüsselfertige Anlagen, Inbetriebnahme
• Schulung, Ramp-Up

FSW-Systemintegration

• Aufrüstung von beste-henden CNC-Maschinen
• Neue, gebrauchte und parallelimportierte Roboter

Spezialanwendungen

• FSW von Stahl
• Einziehbarer Stift
• Schweißgeschwindigkeit >3 m/min

Hoher Aufwand bei der Forschung und Entwicklung

• Know-How-Verlust durch Personalwechsel
• Route Cause Analysis bei ungeeignetem Tool Design

Unterschätzung der Kosten bei der Spanntechnik

• Flugzeughersteller, Rohrleitungsbau und E-Mobilität

Wettbewerb mit Materialherstellern

• Strangpressprofilhersteller verlangen Aufschläge
• Stahl und Kunststoff sind günstiger als Aluminium

Markt entwickelte sich zögerlicher als erwartet 

• Hoher Vertriebsaufwand der Maschinenhersteller
• Mehr- und Mindermengen im Automobilbau

Sprunghafter Auftragseingang 

• Sondermaschinenbau insbesondere Luft- u. Raumfahrt
• Mehr- und Mindermengen im Automobilbau

Politische Fehlentscheidungen

• Gesetzesänderungen, Zölle, Kriege, staatl. Förderung 

Pressschweißen hat immer metallurgische Vorteile

• 2000 und 7000er Aluminiumlegierungen unterhalb des Schmelzpunkts fügen

Geringer Verzug und beeindruckende Toleranzen

• Paneele im Fahrzeugbau und Batteriewannenbau

Wertsteigerung bei Strangpressprofilen und Alu-Guss

• Paneele und wassergekühlte Bauteile statt Rohmaterial

Alugießereien ändern ihre Hauptprodukte

• E-Mobilität statt Dieselmotor, Getriebe und Auspuff
• FSW erzeugt keine Poren oder Blaslöcher 

Kostengünstige Fertigung  

• Marktvorteile gegenüber Konkurrenzprodukten
• Export aus Asien in attraktive Märkte

Den größten Umsatz und Erfolg hatten…

• Raketenbauer, Strangpressprofilhersteller, Kühlkörper-hersteller sowie Forschungsinstitute und Universitäten 

Mehrere Marktanalysen und -prognosen aus Asien

• Typische Annahme: Weltmarkt für FSW-Maschinen steigt von 240 Mio $ (2024) um 5,25 % auf 390 Mio $ (2033) 
• Indische Analysen: Hoher Preis trotz wenig Marktkenntnis
• Trivialaussagen wie „Drei der 10 betrachteten Hersteller haben zusammen mehr als 33% Marktanteil.“

Vorschlag: Analyse nach Maschinenbauart

• BAZ (CNC-Maschine), Portal sowie Column & Boom
• FSW-Roboter, FSSW-Roboter und Sondermaschinen

FSW-Werkzeugmarkt

• Markt für FSW-Werkzeuge ähnlich groß wie für Maschinen
• Trend zu industriellen FSW-Werkzeugen statt Eigenbau

Geographische Trends

• Viele, sehr billige FSW-Portale in China
• Vor-Ort-Fertigung aufgrund von Einfuhrzöllen

Gemeinsames Ziel

• Größere Pizza statt größeren Winkeln der Marktanteile 

Geographische Regionen

• Deutschland, Österreich und Schweiz (D-A-CH)
• Rest von Europa
• Amerika
• Asien

Sektoren

• Maschinenhersteller
• Universitäten und Institute
• FSW-Anwender

Beobachtung

• Bis zu 50 FSW-Maschinen pro Fabrik in China
• Asien dominiert bei den FSW-Maschinen und -Anwendungen

Literaturrecherche

• Wissenschaftliche Veröffentlichungen
• Patentanmeldungen

177 Artikel in Scopus

• Vor allem Stumpfstoß
• Nur 7 im Überlappstoß
• Eine im T-Stoß

Beobachtung

• Große Bandbreite an geschweißten Werkstoffen und Werkzeugmaterialien

Schwächen in Stärken umwandeln

• Prozessvarianten adressieren Verfahrensnachteile
• Keep it simple! Kein induktives Vorwärmen erforderlich
• Automatisierung der Parameteroptimierung durch adaptive Parameterregelung und clevere Algorithmen
• Prozessverständnis ermöglicht kurze Zykluszeiten

Externe Risiken als Chancen nutzen

• Standortvorteile und Kommunikationstechnik nutzen
• Enge Zusammenarbeit von Industrie und Unis/Instituten

Unkenntnis über FSW-spezifische Konstruktion

• Design Guidelines
• Webinare
• Design Reviews

Offene Kommunikation zwischen OEM und Zulieferer  

• ISO 25239 als Basis für vertragliche Vereinbarungen
• Kosteneinsparungen mit Kunden und Endkunden teilen

6 externe Einflussfaktoren 

• Politisch
• Ökonomisch
• Soziokulturell
• Technologisch
• Ökologisch 
• Rechtlich

Umfeldanalyse

• Kontinuierliche Bewertung
• Verantwortliche festlegen
• Unternehmen und Behörden

Tabellarischer Aufbau

• Drivers (Motivation)
• Restraints (Zurückhaltung, Zögerlichkeit bei Entscheidungsträgern)
• Opportunities (Chancen)
• Challenges (Herausforde-rungen)

Langjährige Beobachtung

• Es gibt immer einen Skeptiker
• Technology Leader (Europa) oder Fast Follower (Korea)
• Wir wollen nicht die Ersten sein

Normen

• ISO 25239, Teile 1-5
• ISO 25239-4, Tabelle 3: Zugfestigkeiten
• ISO 25239-5 Tabelle A.1: Unregelmäßigkeiten
• AWS 17.3 (englisch)
• Sektion 6.5: Minimale Informationen für WPS
• Tabelle 6.5: Essenzielle Variablen
• ASME IX (englisch)
• ASME IX, Tabelle QW-267: Essenzielle Variablen

DVS-Merkblätter (DVS AG V11.2 FSW)

• DVS 3701 FSW und Betriebsanlagen
• DVS 3702 Konduktive Unterstützung
• DVS 3702 Reduzierte Axialkraft
• DVS 3704 Nahtqualität durch Analyse der Oberflächentopgraphie

Raumfahrt

• FSW hat den Raketenbau weltweit revolutioniert 
• Hochfeste Alu-Legierungen sind mit FSW schweißbar

Wertsteigerung 

• Paneele statt Strangpressprofilen
• Parallele Nähte mit wenig Verzug und super Toleranzen

Kühlkörper (Thermal Management) 

• Mehr als 1000 m pro Tag
• Alu-Guss mit FSW poren- und spritzerfrei schweißen

Mischverbindungen

• Alu-Kupfer im Überlappstoß und Alu-Stahl
• Gewalztes Alu-Blech oder Alu-Extrusion auf Alu-Guss

Forschung und Entwicklung an Unis und Instituten

• Vielzahl von Publikationen und Patenten
• Auch längst Bekanntes wird erforscht und neu erfunden

Problemlose Qualifikation der WPS durch TÜV usw.

• ABS, BV, DNV, GL, Lloyds und RINA im Schiffbau
• DIBt und TÜV im Bauwesen und bei Pipelines
• Federal Aviation Administration im Flugzeugbau
• DTIC in der amerikanischen Verteidigungstechnik
• Durch SLV B-B, AluStir und hausintern nach ISO 25239

Erfahrungsaustausch, Normung und F&E

• DVS Arbeitsgruppe AG V11.2 Rührreibschweißen
• F&E in Einzelkunden und Verbundforschungsprojekten 

Vertrauliche Beratung, Prototyping und Schulung

• Design Reviews und Prototyping
• Webinare, Beratung vor Ort, Schulung nach ISO 25239

Werkzeuge, Spannvorrichtungen und FSW-Maschinen

• Werkzeugdesign für Materialfluss und Langlebigkeit
• Aufwand für Spanntechnik wird oft unterschätzt
• Einfache Bedienbarkeit und Wiederholgenauigkeit