Die Kühleinrichtung in der Mitte des Bauteils entsteht aus einem gegossenen Profil, auf das eine Platte aufgeschweisst wird.

Ausgabe 01 | 2022

Prozessstabilität beim Rührreibschweissen

Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH

Rührreibschweissen ist eine Fügetechnik mit vielen Vorteilen und wenigen Nachteilen: Wenn das Werkzeug bricht, ruiniert der feststeckende Rest die Naht. Längere Standzeiten und vor allem Verlässlichkeit war es, was die Rapid Technic AG in ihrer Auftragsfertigung für diese Aluminiumbearbeitung suchte. Die Lösung kam aus dem deutschen Bobingen von der Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH.

Die meisten Schweizerinnen und Schweizer werden die Rapid Technic AG als Hersteller von Motormähern und Schneefräsern kennen. Doch das Unternehmen aus CH-8956 Killwangen im hat einen zweiten wichtigen Geschäftsbereich. Für Kunden in der Bahntechnik, dem Nutzfahrzeugbau und in der Medizintechnik ist Rapid ein gesuchter Auftragsfertiger. In diesem Serviceangebot mit Engineering, Vorrichtungsbau, Prototypen-, Einzel- und Serienfertigung, Montage und Logistik sticht eine Kernkompetenz besonders heraus: das Rührreibschweissen, auch FSW (Friction Stir Welding) genannt. Mit diesem Verfahren können auch Komponenten unterschiedlicher Materialstärken und Legierungen verzugsarm und gasdicht verschweisst werden. Auf mehreren FSW-Bearbeitungszentren mit hohem Automatisierungsgrad werden bei Rapid auch komplexe Bauteile in Serie gefertigt, teils auf Grossanlagen mit Prozesskräften bis zu 65 kN.
Ein abgebrochener Pin, der in der Schweissnaht feststeckt, ist der Fehler, den es bei dieser Technik unbedingt zu vermeiden gilt. Ein grosser Auftrag zur Bearbeitung von Gehäusen für die Leistungselektronik war der Anlass für Projektleiter Heinz Weiss, nach Werkzeugen zu suchen, die höhere Standzeiten aufweisen und damit eine höhere Prozessstabilität bieten. «Seit 2019 haben wir verschiedene Werkzeuge einer grossen Zahl von Anbietern evaluiert – man kann hier letztlich nur nach dem Trial-and-Error-Prinzip vorgehen», erinnert sich Weiss. «Wir sind dann im Internet auf einen Anbieter gestossen, der uns auf diesem Gebiet bisher kein Begriff war, der uns aber gleich mit seinem einzigartigen Katalog aufgefallen ist: Hufschmied.»

Know-how-Transfer
Die Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH mit Sitz in Bobingen bei Augsburg ist bekannt als Hersteller von Fräswerkzeugen mit einer Spezialisierung auf besonders anspruchsvolle Werkstoffe wie beispielsweise Glas- und Karbonfaserverbundstoffe, Kunststoffe und Graphit, Keramiken und gehärtete Stähle bis 72 HRC. Basierend auf der Erkenntnis, dass Material, Maschine, Werkzeug, Bearbeitungsstrategie und die gesetzten Qualitätsanforderungen einen Bearbeitungsprozess bestimmen, geht bei Hufschmied die werkstoffbezogene Weiterentwicklung von Werkzeugen Hand in Hand mit der Optimierung der Prozesse beim Kunden, immer abgestimmt auf die jeweilige Maschine und die Qualitätsanforderungen. Da er überzeugt ist, dass dies nicht nur für Fräswerkzeuge, sondern auch für FSW-Pins gilt, bot Björn Herbst, Geschäftsführer der Hufschmied Zerspanungssysteme Schweiz AG, Beratung bei der Auswahl der geeigneten Werkzeuge an. Bei dem Projekt von Rapid ging es um ein in Sandguss gefertigtes Gehäuse, bei dem integrierte Kühlmittelwege mit einer aufgeschweissten Platte dicht verschlossen werden sollten. Die FSW-Verbindung sollte zwischen den Legierungen 5083 und 6082 erfolgen. «Die Wahl fiel auf einen FSW-Pin mit zylindrischem Kopf aus unserem Standardprogramm. Wenn nötig, hätten wir für die Anwendung bei Rapid aber auch ein Sonderwerkzeug entwickelt», sagt Björn Herbst. «Wir haben festgestellt, dass, wie bei Fräswerkzeugen auch bei den FSW-Pins Werkzeuggeometrien und Beschichtungen einen grossen Einfluss auf den Prozess haben.»

Positive Effekte
Die Stifte für das Rührreibschweissen bestehen vielfach aus Werkzeugstahl. Hufschmied weicht davon ab und bietet FSW-Werkzeuge aus Vollhartmetall an. In Versuchen wurde festgestellt, dass Härte und Wärmefestigkeit von VHM im Vergleich zu Werkzeugstahl zu einem besseren Verschleissverhalten führen. Vor allem aber können die Werkzeuge höheren Prozesskräften standhalten. Dadurch wird das von Anwendern gefürchtete Abscheren der Pins während der Bearbeitung verhindert. Durch die Hufschmied-Werkzeuge aus VHM konnte Rapid die Standzeit um etwa 50 Prozent verbessern. Doch die Fähigkeiten im Fräswerkzeugbau, die das schwäbische Unternehmen in der Weiterentwicklung von FSW-Pins nutzt, beziehen sich nicht nur auf die VHM-Bearbeitung: Geschliffene Oberflächen bei den PINS sorgen für gleichmässigeren Materialfluss und geringere Anhaftungen. Die sehr hohen Toleranzen des Schleifprozesses, die Hufschmied fertigungsbedingt bieten kann, sorgen für einen gleichmässigeren Wärmehaushalt und damit gleichmässigere Schweissnähte. Auch Werkzeugbeschichtungen wirken sich auf den Prozess aus. Nicht zu unterschätzen ist zudem der Einfluss der Mikrostrukturen am schraubenförmigen Kopf der Pins, der das plastifizierte Aluminium knetet. Es stellte sich heraus, dass Rapid noch mehr als nur die Standzeit steigern konnte.

«Super gsi»
Erich Striffler, Leiter Verkauf Contract Manufacturing bei Rapid Technic AG, stellt fest: «Wir haben grössere Prozesssicherheit. Der geringere Verschleiss hat trotz der im Stückpreis teureren Werkzeuge die Kosten gesenkt. Wir konnten zudem die Produktivität steigern.»
Die Gefügebilder der Makroschliffe waren homogen und fehlerfrei. Die Geometrie der Hufschmied-Werkzeuge sorgt dafür, dass die Bearbeitung vibrationsarm und mit geringerem Kraftaufwand erfolgt. Dies macht den Prozess maschinenschonend und erlaubt grössere Eindringtiefen und Vorschübe. «Wir haben nun erstmals die Möglichkeiten unseres grössten FSW-Zentrums vollständig ausgereizt», zeigt sich Maschinenbediener Reto Vögeli beeindruckt.
Bei Rapid ist man zufrieden mit den neuen Werkzeugen und will auch für zukünftige Prozessoptimierungen mit Hufschmied zusammenarbeiten. «Rapid ist einer unserer Referenzanwender im Rührreibschweissen und wenn wir Weiterentwicklungen zum Beispiel im Bereich der Beschichtungen haben, werde ich sie hier sofort vorstellen», versichert Björn Herbst. Hatte zunächst der FSW-Katalog beeindruckt, war es am Ende die gemeinsame Prozessoptimierung, die neben den Schweissergebnissen überzeugte. Erich Strifflers knappes Urteil zur Zusammenarbeit: «Super gsi.»

Rührreibschweissen auf dem Vormarsch?
Rührreibschweissen, englisch Friction Stir Welding (FSW), ist ein Pressschweissverfahren (Ordnungsnummer 43 nach DIN EN ISO 4063). Bei dem Festphasenfügeverfahren erzeugt ein rotierender profilierter Stift zwischen fest eingespannten Fügepartnern Reibenergie. Durch den Wärmeeintrag kommt es zur Plastifizierung. Bei vergleichsweise geringen Temperaturen wird eine stabile, gasdichte Verbindung mit minimalem Verzug erzeugt. Das Verfahren ist besonders für Aluminiumlegierungen geeignet und hat den Vorteil, dass auch Legierungen miteinander verbunden werden, die man sonst nicht schweissen kann. Probleme wie Heissriss- oder Porenbildung, die beim Schmelzschweissen von Aluminiumlegierungen durch den Phasenübergang verursacht werden, treten beim Rührreibschweissen nicht auf, da es keine flüssige oder dampfförmigen Phase gibt. Insbesondere die Flüssigkeits- und Gasdichtheit der erzeugten Verbindungen macht das FSW-Verfahren für Behälter aus Aluminium interessant. Durch das Wachstum der Elektromobilität wird es beispielsweise einen riesigen Bedarf an Batteriegehäusen geben. Es ist daher damit zu rechnen, dass FSW zukünftig häufiger genutzt wird. Klassische Anwendungsgebiete sind bereits Flugzeug-, Schiffs- und Eisenbahnbau. Durch den Einsatz von Hartmetall anstelle von Werkzeugstahl, Veränderungen von Geometrie und Mikrostrukturen sowie den Einsatz verschiedener Beschichtungen hat Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH einen Entwicklungs- und Optimierungsprozess angestossen.

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Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH
Edisonstrasse 11d
D-86399 Bobingen
T +49 (0)8234 9664-0
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info@hufschmied.net

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