Rührreibschweißen an dreidimensionalen Konturen

Neue Konzepte für das Rührreibschweißen an dreidimensionalen Konturen großer Bauteile

Rührreibgeschweißtes 3D-Kontur Testteil mit konvex-konkav Radien
© Fraunhofer IWS Dresden
Rührreibgeschweißtes 3D-Kontur Testteil mit konvex-konkav Radien

Schweißen von gekrümmten Aluminiumstrukturen ist mittels Schmelzschweißverfahren Stand der Technik. Können diese jedoch aus metallurgischen Gründen, etwa bei legierungsbedingter Schweißrissanfälligkeit oder geringer zyklischer Belastbarkeit des Nahtgefüges nicht eingesetzt werden, stellt das Rührreibschweißen eine aussichtsreiche Alternative dar.

Eine Herausforderung ist jedoch die 3D-Fähigkeit: Aufgrund der prozessbedingten hohen Anforderungen an die Positionskontrolle und Steifigkeit der Schweißanlage sind gerade große Bauteile schwierig zu fügen. Ziel ist daher die Entwicklung eines kostengünstigen Maschinenkonzepts, dass auch für größere Bauteile anwendbar ist und das in der industriellen Fertigung eingesetzt werden kann.

Lösungsansatz

Einrichten der Parallelkinematik-Anlage zum Rührreibschweißen (FSW)
© Fraunhofer IWS Dresden
Einrichten der Parallelkinematik-Anlage zum Rührreibschweißen (FSW)

Der Lösungsansatz bestand in der Erweiterung des Anwendungsbereiches einer sogenannten Pentapod-Fräsmaschine in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller. Derartige Maschinen, die auf dem parallelkinematischen Prinzip basieren, müssen bei vergleichbarem Arbeitsraum, Steifigkeit und Positionierungspräzision deutlich weniger Eigenmasse als herkömmliche CNC-Maschinen bewegen, in der Regel nur etwa 10 %.

Ergebnisse

Prinzip Rührreibschweißen (FSW)
© Fraunhofer IWS Dresden
Prinzip Rührreibschweißen (FSW)
Nahaufnahme Prozess Rührreibschweißen (FSW)
© Fraunhofer IWS Dresden
Nahaufnahme Prozess Rührreibschweißen (FSW)

Durch Entwicklung interner Prozessregelsysteme, die komfortabel vom Nutzer anwendungsspezifisch aktiviert und gegebenenfalls angepasst werden können, sind die für das Rührreibschweißen üblichen Regelalgorithmen auch für komplexe dreidimensionale Fügeaufgaben verfügbar. Die Anwendung konnte beispielsweise an Versuchsträgern für die Forschung zum Rührreibschweißen von Flugzeugrumpfsegmenten erfolgreich demonstriert werden.

Zusätzlich ist die Überführung zum Anwender vereinfacht: Die standardmäßig stationären Anlagen sind bei geeignetem modularem Aufbau auch als mobile Variante einsetzbar, etwa zum Einsatz des FSW auf Baustellen. Gerade beim Einsatz an schwer transportierbaren großen Bauteilen ergeben sich hier völlig neue Möglichkeiten.

Ein Einsatz als Laserstrahl-Schweißanlage ist zusätzlich denkbar und wurde getestet. Damit sind erstmals Verfahrenskombinationen zum Laserstrahlschweißen, Rührreibschweißen und Fräsen in einer Aufspannung an komplexen Bauteilen möglich. Um Bauteile oder Schweißnähte zusätzlich gegen Rissbildung zu schützen ist ein Einbringen von Druckspannungen mittels 3D-Festwalzen möglich. Dies wurde ebenfalls an der Maschine qualifiziert.