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Der rasante Anstieg der Elektromobilität verlangt neben markenübergreifenden E-Plattformen zeitgemäße Produktionskonzepte. Batteriewannen, die häufig im Unterboden der Fahrzeuge verbaut werden, ersetzen die gewohnten Tanks und müssen hohe Qualitätsansprüche bei Crashverhalten und Dichtheit erfüllen. Die Branche setzt deshalb auf völlig neue Fertigungsprozesse, auch in der Schweißtechnik. Um diese zu testen, bietet Fronius der Automobilindustrie, aber auch Unternehmen anderer Branchen, die Möglichkeit, schweißrelevante Bereiche ihres Prototypenbaus auszulagern.
Batteriewannen werden benötigt, um die darin befindlichen Batteriezellen vor äußeren Einflüssen zu schützen. Zum Schutz der Batteriezellen vor Korrosion müssen die Wannengehäuse absolut dicht und im Fall von Kollisionen belastungsresistent sein. Einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Batterien hat die Temperatur der Lithium-Ionen-Zellen, weshalb die Wannengehäuse von Kühlkörpern umschlossen werden. Konstruktionsbedingt kommen immer mehr großflächige Komponenten und unterschiedliche Wandstärken zum Einsatz. Diese müssen nahezu plan und verzugsfrei in konstanter und jederzeit reproduzierbarer Qualität verschweißt werden. Das macht das Schweißen so herausfordernd. Verarbeitet werden unter anderem Strangpress- und Druckgusskomponenten aus verschiedenen Aluminium-Legierungen mit Wandstärken zwischen zwei und dreißig Millimetern.
Schweißverfahren für Prototypenbau.
Nur wenige Schweißverfahren sind dafür geeignet, diese Materialien stabil, effizient und feuchtigkeitsdicht zu fügen. Dazu zählen die hochentwickelten Prozessvarianten des Metallschutzgasschweißens (MSG), die teils mit, teils ohne reversierende Drahtvorschubbewegungen arbeiten: CMT (Cold Metal Transfer), LSC (Low Spatter Control) und PMC (Pulse Multi Control). Besondere Vorteile für lange Nähte bietet das LaserHybrid-Verfahren. Es kombiniert einen Laserstrahl mit einem MIG-Schweißprozess in einer gemeinsamen Prozesszone. Der stark gebündelte, auf die Schweißnaht gerichtete Lichtstrahl hat eine hohe Energiedichte und dringt tief in den Grundstoff ein. Gefolgt wird der Laser von einem MIG-Prozess, der zum Füllen der Naht dient und eine optimale Flankenanbindung bewirkt. Die zusätzlich eingebrachte Wärme gibt dem Material Zeit zum Ausgasen und reduziert die Porenanfälligkeit von Aluminium.
Know-how in Prototypenfertigung
Bevor Batteriewannen in Serie gehen, werden Machbarkeitsstudien erstellt und Prototypen gefertigt. Um den für die Fertigung am besten geeigneten Schweißprozess zu eruieren, benötigt man neben metallurgischem Knowhow, schweißtechnisches Spezialwissen, Roboterschweißzellen, Spannvorrichtungen, On- und Offline-Programmiersoftware, Sensorik, Schweißdatenmanagement, Bauteilvermessungszellen und ein schweißtechnisches Labor. Fronius bietet der Automobilindustrie, aber auch Unternehmen anderer Branchen, die Möglichkeit, schweißrelevante Bereiche ihres Prototypenbaus dauerhaft auszulagern. Neben Machbarkeitsstudien, Schweißversuchen, Qualitätsprüfungen und Projekt-Support fertigt Fronius auch kleinere Stückzahlen für die Testphase der Prototypen (Vorserie). Besteht Bedarf, stattet der Schweißtechnikhersteller die Serienfertigungen der Kunden mit geeignetem Equipment wie Roboterschweißzellen aus. Durch das Auslagern der Prototypenherstellung fallen erhebliche Entwicklungskosten sowie Investitionen in eine eigene Prototypenfertigung weg.
Schweißwissen und –technologie.
Auf etwa 930 Quadratmetern bietet das Prototypenzentrum ausgeklügelte Schweiß- und Vermessungstechnik. Damit ist es möglich, Bauteile bis zu 3 x 2 Meter und einem maximalen Gewicht von 1.500 kg zu fertigen. Die Abtrennung vom restlichen Betrieb gewährt absolute Diskretion. Eine der beiden eingesetzten Roboterschweißzellen ist mit CMT-Technologie ausgestattet. Der wärmereduzierte Schweißprozess eignet sich gerade im Dünnblechbereich für nahezu jeden Grundwerkstoff und reduziert Spritzerbildung sowie Verzug. Die dabei verwendete, hochflexible Schweißgeräte-Plattform TPS/i erlaubt bei Bedarf auch den Einsatz anderer MSG-Schweißprozesse. Darüber hinaus nutzt die Roboterzelle ein Acerios Oberflächen-Reinigungssystem, das mittels Heißplasma-Technologie die Bauteilstöße für das Schweißen vorbereitet.
Die zweite Roboterschweißzelle verfügt einerseits über einen Laser andererseits über ein leistungsstarkes MSG-Schweißsystem. In Kombination vereint der sogenannte LaserHybrid-Prozess die Vorteile beider Welten und bietet eine ausgezeichnete Spaltüberbrückbarkeit und hohe Schweißgeschwindigkeiten. Beides: tiefer Einbrand und geringer Wärmeeintrag, verbunden mit minimalem Bauteilverzug, gehen damit einher.
Gemeinsam mit hochentwickelten Schweißprozessen spielen Kamera- und Sensortechnik eine wichtige Rolle im Prototypenbau – insbesondere bei der Herstellung von Batteriewannen. Im Prototypen-Zentrum wird jeder Bauteil vor und nach dem Schweißen in einer eigenen Zelle dreidimensional vermessen und jeglicher Verzug millimetergenau festgestellt. Die präzise Überwachung der exakten Maße findet bereits nach dem ersten Schweißversuch, also in einer früheren Phase des Prototypenbaus satt. Das beschleunigt das Finden optimaler Prozesse und spart sowohl in der Entwicklung als auch im späteren Produktionshochlauf Zeit und Kosten. Darüber hinaus werden die Prototypen einer metallurgischen Prüfung unterzogen. Die Ergebnisse dieser Analysen fließen direkt in die Weiterentwicklung der Prototypen ein.
