Rührreibschweißen So klappt das Wärmemanagement beim Fertigen von Batteriegehäusen

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Weil es die Herstellung schwerer Batteriegehäuse für Plugin-Hybride in sich hat, setzt ein Autobauer nun statt Kleben und Schrauben auf roboterbasiertes Rührreibschweißen. Kuka lieferte drei FSW-Zellen mit der grünen Technologie.

E-Autos brauchen eine „Wohlfühltemperatur“ – zumindest ihre Batterien. Nur wenn sie richtig temperiert sind, bringen sie die optimale Leistung und erreichen die maximale Lebensdauer. Die Batterien müssen daher während des Betriebs gekühlt und bei niedriger Umgebungstemperatur erwärmt werden. Speziell bei Plugin-Hybridfahrzeugen wird diese Aufgabe von Kühlsystemen übernommen, die in den Boden der Batterieträger integriert sind. Die Fertigung dieser Gehäuse ist äußerst diffizil.

Das hat auch ein großer Autobauer erkannt, der die Batteriegehäuse zunächst mit Kleben und Schrauben fertigte. Die Anforderungen an die Batteriegehäuse sind bei E-Autos hoch: Die Ebenheit der Modulmontageflächen, die Dichtigkeit der Endlöcher und die Anforderungen der Drucktests müssen gewährleistet sein.

Als der Prozess mit Kleben und Schweißen jedoch nicht den gewünschten Erfolg brachte, sah sich der Hersteller auf dem Markt nach einer neuen Lösung um. Bei Nichteisenmetallen mit niedriger Schmelztemperatur und für metallische Mischverbindungen eignet sich roboterbasiertes Rührreibschweißen – auch als Friction Stir Welding (FSW) bekannt. Inzwischen hat der große Autobauer drei Rührreibschweißzellen von Kuka erfolgreich in Produktion genommen. So konnte er nicht nur das Wärmemanagement von Plugin-Hybrid-Batterien optimieren, sondern auch die komplex gestaltete Struktur der Speichergehäuse wirtschaftlich umsetzen.

Von der Anforderung über Tests bis zur Lieferung hat Kuka den Kunden begleitet. „Wir hatten bereits Prototypen entwickelt und mit ihnen verschiedene Tests durchlaufen. In Machbarkeitsstudien haben wir die Schweißeignung geprüft, Erreichbarkeitsanalysen und Prozesssimulationen durchgeführt“, erzählt Stefan Fröhlke, Senior Manager Process Solution FSW bei Kuka. „Als alle Tests mehr als zufriedenstellend ausfielen, haben wir die Anlage beim Kunden installiert.“

Gut vermischte und verdichtete Naht erforderlich

Die Rührreibschweißzelle Cell4_FSW, die Kuka speziell für den wachsenden Markt der Elektromobilität entwickelt hat, bietet mit ihrem modularen Konzept Wirtschaftlichkeit, Vielseitigkeit und etliche Konfigurationsmöglichkeiten.

Um das Kühlsystem der Plugin-Hybridfahrzeuge zu verschließen, wird mittels Rührreibschweißen das Bodenblech exakt entlang der Kühlkanäle mit dem Gussgehäuse verbunden. Für einen druckdichten Kreislauf, der dem Wechseldruck standhält, werden ein großer Anbindungsquerschnitt und eine gut vermischte und verdichtete Naht benötigt. „Rühr-reibschweißen hat sich als geeignete Fügetechnologie herausgestellt, da sich die Kompo-nenten durch den Wärmeeintrag möglichst wenig verziehen“, erklärt Stefan Fröhlke. Dabei setzt Kuka auf Rührreibschweißen mit fester Schulter (Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW). Das heißt: Anders als beim klassischen Rührreibschweißen rotiert nur der Schweißstift in einer stationären Schulter. So entsteht während der Vorschubbewegung entlang der Schweißnaht eine ebene, glatte Nahtoberfläche. Dass reduziert den Auf-wand für die Nachbearbeitung.

Ein weiterer Vorteil der Schweißzelle Kuka Cell4_FSW: Die Schwerlastroboter der Reihe KR Fortec-Reihe können dank hoher Steifigkeit und Lebensdauer eine erhöhte Bahngenauigkeit an großen Bauteilen erzielen. „Gleichzeitig kann der Kunde durch unser Prozesskotroll- und Dokumentationssystem (PCD) alle wesentlichen Prozessparameter nachverfolgen und Qualitätsdaten transparent erfassen lassen“, ergänzt Portfolio-Manager Till Mai-er. Dadurch hat Kuka eine Basis für die Integration von Industrie 4.0 geschaffen, der einfache Datenaustausch mit dem Kuka-Remote-Service verhindert unter anderem längere Ausfallzeiten.

Das Verfahren gilt auch als grüne Technologie. „Dank geringem Energieverbrauch ist Rühr-reibschweißen umweltfreundlich, zudem sind keine Rauchgasabsaugung oder Blend-schutzmaßnahmen erforderlich“, erklärt Stefan Fröhlke. Diese Kombination aus Qualität, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit hat den Kunden überzeugt.

Die erste Zelle ging nach einer Prototypen- und Testphase erstmals 2016 in Deutschland in Produktion und dient seither als Blaupause für weitere Zellen im Konzern. Im Rahmen der Erweiterung der Rührreibschweißkapazität hat der Autobauer die Prozessverantwortung neu strukturiert und an sein Tochterunternehmen nach Schweden abgegeben, das dafür eigens eine neue Halle gebaut hat. In diesem Zuge hat der Autobauer zwei weitere Rührreibschweißzellen bei Kuka bestellt.

Die erste Zelle zog im September 2020 nach Schweden um, im Mai 2021 erfolgte die Vor-abnahme der zwei neuen Kuka Cell4_FSW Zellen in Augsburg. Schon zwei Monate später konnte der Kunde die beiden Zellen in Betrieb nehmen. Ein paar Kennzahlen zu den Verbesserungen gegenüber der ersten Zelle: Mit der Automatisierung des komplexen Hydraulikspannsystems senkte sich die Gesamttaktzeit inklusive Bauteilhandling von vorher 20 auf nun 15 Minuten, gleichzeitig verbesserte sich durch die Optimierung des Spannsystems die Qualität des Produkts.

Naht muss hohem Berstdruck standhalten

Die Anforderungen an die Lösung waren wegen der sicherheitskritischen Bauteile der Batteriegehäuse äußerst hoch: Die Naht muss einem sehr hohen Berstdruck standhalten können, was ein Test der Festigkeit zu belegen hatte. Spezielle Spannvorrichtungen und Schweißwerkzeuge mussten zusammen mit den Schweißparametern neu entwickelt werden. Das war ausschließlich mit der FSW-Technologie umsetzbar, da unterschiedliche Aluminiumlegierungen (Knetlegierung an Aluminium-Druckguss) zu schweißen waren. Zudem war eine schnelle Lieferung innerhalb von sechs Monaten die Bedingung für die Auftragserteilung.

„Die Zusammenarbeit war sehr offen, vertrauensvoll und zielgerichtet“, erzählt Projektleiter Adel Ben Hassine, Sales & Proposal Engineering bei Kuka, „und der Kunde war überrascht, wie schnell die Umsetzung erfolgte.“ Außerdem ließ sich ein Benefit in puncto Nachhaltigkeit erreichen: „Die Werkzeuge wurden mit dem Kunden zusammen so weiter-entwickelt, dass sich die Lebensdauer der Pins inzwischen verdoppelt hat.“

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