Alles in einer Aufspannung

Technik/Laser

Medien führende Bauteile mit Gewindebuchsen oder Fittings versehen, IHU/AHU-Bauteile durch tiefgezogene Halbschalen ersetzen und komplexe 3D-Baugruppen aus Einzelteilen direkt vom Coil aufbauen – das sind Anwendungsgebiete des Cutfusion-Verfahrens von Weil Engineering.

02. Oktober 2018
© Weil Engineering
Bild 1: Alles in einer Aufspannung (© Weil Engineering)

Cutfusion ist ein vollautomatisches Verfahren, bei dem Teile oder Baugruppen in einer Aufspannung vollständig bearbeitet werden. Nach dem Einspannen des Bauteils in die Vorrichtung ist dessen Position während des Fertigungsverfahrens jederzeit bekannt. Nun kann der Laser Löcher und Konturen in das Bauteil schneiden. Anschließend werden die zu fügenden Einzelteile mit Hilfe interner Automatisierung positioniert und mit dem Laser geschweißt – dank gleicher Aufspannung absolut reproduzierbar.

»Die Kenntnis über Position und Lage ist der größte Gewinn beim Einsatz des Cutfusion-Verfahrens«, ist Harald Liebhart, Leiter Entwicklung Laserschneiden bei Weil Engineering, überzeugt. Dieses Verfahren liefert eine große Produktionssicherheit und einen optimierten Fertigungsablauf.

Das Maschinenkonzept

Das Maschinenkonzept

Die flexible Lasercelle FLC liefert die bautechnische Grundlage für das Cutfusion-Verfahren. Auf einer gemeinsamen Antriebsachse befinden sich eine Schneid- und eine Schweißoptik. Jede wird durch einen separaten Linearmotor angetrieben. So kann der Laser zunächst mit der Schneidoptik die Ausbrüche erzeugen, anschließend fährt die Schneidoptik aus dem Arbeitsbereich heraus und macht Platz für die Schweißoptik, die die positionierten Bauteile fügt.

Insgesamt bietet die FLC Platz für bis zu drei separat angetriebene Achsen. Je nach Anwendungsfall kann die dritte Achse mit einer Schweiß- oder Schneidoptik ausgestattet werden. Der Einsatz einer weiteren Bearbeitungsoptik kann die Taktzeit in vielen Fällen stark reduzieren.

Gewindebuchsen und Fittings

Insbesondere Medien führende Teile werden mit diversen Gewindebuchsen, Fittings, Schraubtuben und Flanschen versehen. Dichtheit und damit eine hohe Nahtqualität sind bei diesen Bauteilen unabdingbar.

Das Bauteil wird in die Vorrichtung eingespannt, die Lochkontur geschnitten, der Fitting zugeführt und geschweißt. Da das Teil während des Verarbeitungsprozesses fest eingespannt ist und bleibt, ist die Schweißposition mit der Position der Schnittkontur identisch und kann reproduzierbar angefahren werden.

Die Abarbeitung erfolgt immer in Zwangsposition: Der Laserstrahl trifft stets senkrecht von oben auf das Bauteil. Anschließend wird der Fitting positioniert und geschweißt. Sollen weitere Fittings oder Anschlussstutzen an anderen Positionen gefügt werden, dreht sich die Vorrichtung vor dem Schneiden in die entsprechende Zwangslage und der Prozess kann wiederholt werden.

Auf die Optik kommt es an

Beim Anschweißen eines Fittings an ein Bauteil wird die Schweißoptik von außen kreisförmig um die Fügestelle geführt. Bei Standardoptiken bedeutet diese Bewegung ein komplexes Zusammenspiel von vier Achsen – verbunden mit ausladenden Bewegungen der Optik rund um den Fügebereich. Grund ist der Aufbau von Standardoptiken: Die Z-Achse der Maschine und die Fokussierachse mit dem Fokuspunkt liegen parallel mit dem Abstand x. Damit führt eine Rotationsbewegung der Optik um die Z-Achse zu einer kreisförmigen Schweißbahn mit dem Radius x. Im Umkehrschluss ist das Schweißen kleiner Radien mit großen Bewegungen der Optik verbunden.

Das bewirkt eine große Störkontur und kann gerade beim Anschweißen kleiner Fittings an kleine Bauteile zu Schwierigkeiten bei der Zugänglichkeit führen. Weil Engineering hat zusammen mit der Trumpf Lasertechnik eine Rotationsoptik entwickelt, bei der der Fokuspunkt auf der Z-Achse der Optik liegt. Rotiert diese Optik um die C-Achse, so bleibt die Lage des Fokuspunktes konstant. Damit lassen sich kleine Konturen mit minimalen Verfahrbewegungen realisieren. Das kommt nicht nur der Zugänglichkeit zugute, auch die Auslegung der gesamten Maschine kann davon profitieren.

Als Beispiel soll ein Fitting mit 20 Millimeter Durchmesser an ein Bauteil geschweißt werden. Die Rotationsoptik bewegt sich mit der Schweißgeschwindigkeit von 2 m/min um das Bauteil, die Schweißzeit beträgt 1,8 Sekunden. Die Standardoptik dagegen müsste für dieses Bauteil eine Kreisbahn mit 290 Millimeter Radius abfahren, entsprechend etwa 1,8 Metern Länge. Da die Schweißzeit unverändert 1,8 Sekunden betragen soll, müsste die Anlage diese Bahn mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s = 60m/min abfahren. Diese Geschwindigkeit stellte aber ganz andere Voraussetzung an die Auslegung der Maschine, da viel größere Beschleunigungskräfte angriffen.

Aus zwei mach eins

Es ist viel einfacher, kostengünstiger und flexibler, ein Bauteil aus zwei pressenfallenden Halbschalen aufzubauen, als es in einer IHU/AHU-Anlage herzustellen. »Diese Herangehensweise ist nicht nur prädestiniert für das Cutfusion-Verfahren, sondern eröffnet auch ein unglaubliches Potenzial für die Fertigung von Funktionsteilen«, ist sich Harald Liebhart sicher. Für diesen Anwendungsfall würde die Flexible Lasercelle FLC mit zwei Schneid- und einer Schweißoptik ausgerüstet werden. Die beiden Halbschalen werden an zwei Arbeitsstationen zugeführt und dort eingespannt, womit ihre Position festgelegt und definiert ist.

In dieser Position werden sie durch einen Laserschnitt besäumt, wobei der Laserstrahl auf die beiden Arbeitsstationen mit den Schneidoptiken aufgeteilt wird. Anschließend werden die geschnittenen Halbschalen positioniert und dann mit dem Laser gefügt. Hierfür steht dann die gesamte Laserleistung zur Verfügung, was die Schweißgeschwindigkeit entsprechend erhöht.

Nachdem dieser Grundkörper aufgebaut ist, können noch weitere Arbeitsschritte folgen, die aus den beiden gefügten Halbschalen ein komplexes Bauteil machen: weitere Ausbrüche schneiden, Muffen und Fittings oder auch ganze Funktionsteile positionieren und fügen. So entstehen auch komplexe Baugruppen in nur einer Aufspannung ohne Zwischenlagerung und Transport der Teile.

Tailored Parts: immer gewusst wo

Besonders attraktiv ist es, eine komplexe 3D-Baugruppe aus Endlosmaterial aufzubauen. Das ist Just-in-time-Fertigung in Reinform – und der Laser macht es möglich. Die Einzelteile werden direkt vom Coil geschnitten. Ein Handlingssystem, etwa ein Roboter, greift das Teil, noch während es geschnitten wird. So ist dessen Position und Lage definiert und bekannt. Ohne weiteres Nachmessen kann dieses Teil in der Vorrichtung positioniert und gefügt werden.

Das Bauteil wird genau einmal während des Fertigens in die Hand genommen und gleich an seinem Platz positioniert. Jede Art von Messung, Positionierung und Ausrichtung ist damit obsolet und spart entsprechend Zeit und Handlingsaufwand. »Die Positionsorientierung ist die größte Ersparnis. Sie vereint vier Einzelschritte zu einem: orientieren, vermessen, zuführen und positionieren«, fasst Harald Liebhart die Vorteile zusammen. 

Euroblech Halle 11, Stand B93

Erschienen in Ausgabe: 06/2018