Roboter automatisieren das Schweißen von Aluminiumteilen

Ein FANUC R-2000iD positioniert ein Wechselrichtergehäuse zum Schweißen durch einen FANUC ARC Mate 100iD. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fronius Perfect Welding

Jedes Wechselrichtergehäuse wird einer Druckabfall-Dichtheitsprüfung unterzogen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fronius Perfect Welding

Der Tauro-Wechselrichter verfügt über ein doppelwandiges, aktiv gekühltes Aluminiumgehäuse und eignet sich daher ideal für den Einsatz im Freien. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fronius Perfect Welding

Ingenieure von Fronius Solar programmieren und simulieren alle Roboterbewegungen und Schweißabläufe offline mit der digitalen Zwillingssoftware Fronius Pathfinder. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fronius Perfect Welding

Ein Rüstwagen fährt zur Roboterschweißzelle. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fronius Perfect Welding

Ein RFID-Chip teilt der Schweißzelle mit, welches Teil geschweißt wird. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fronius Perfect Welding

Das Herz und Gehirn jeder Photovoltaikanlage (PV) ist der Wechselrichter, der den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, der in einem Haus oder Unternehmen genutzt werden kann. Darüber hinaus optimiert der Wechselrichter den Ertrag, steuert die Energieflüsse und prüft die Funktion der PV-Anlage.

Einer der führenden Hersteller von Wechselrichtern für PV-Anlagen ist Fronius Solar Energy mit Sitz in Wels, Österreich. Fronius Solar Energy, ein Geschäftsbereich der Fronius International GmbH, stellte bereits 1994 seinen ersten Wechselrichter, den Sunrise, vor und ist seitdem Marktführer.

Sein neuester Wechselrichter, der Tauro, verfügt über ein doppelwandiges, aktiv gekühltes Aluminiumgehäuse und eignet sich daher ideal für den Einsatz im Freien. Um den Elementen standzuhalten, ist der Wechselrichter gemäß der Schutzart IP65 abgedichtet. Die Einhaltung dieses Standards hängt zum Teil von der Fähigkeit des Unternehmens ab, hochwertige Schweißnähte herzustellen.

„Aufgrund der unterschiedlichen Blechstärken waren die Herausforderungen beim Schweißen des Aluminiumgehäuses enorm“, erklärt Jasmin Gross, Produktmarketingleiterin bei Fronius Solar Energy.

Zum Glück musste Fronius Solar Energy nicht lange nach Hilfe suchen. Schweißen ist die Spezialität eines weiteren Geschäftsbereichs von Fronius International, Fronius Perfect Welding.

Die Produktion des Wechselrichters erfolgt im Montagewerk von Fronius Solar Energy im nahe gelegenen Sattledt, Österreich. Das Gehäuse und die Flügeltüren werden in einer hochmodernen Roboterschweißzelle geschweißt, die speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde.

„Wir programmieren und simulieren alle Roboterbewegungen und Schweißabläufe offline mit der digitalen Zwillingssoftware Fronius Pathfinder“, erklärt Anton Leithenmair, Leiter Schweißautomation bei Fronius Solar. „Dadurch können wir etwaige Störkonturen schon im Vorfeld erkennen. Gleiches gilt für Achsgrenzen und Brennerpositionen. Auch hier können wir frühzeitig eingreifen, ohne auf die ersten Schweißproben warten zu müssen.

„Sobald die Schweißsequenzen programmiert sind, überträgt Pathfinder die Daten an den Postprozessor, wo sie in die Sprache des FANUC-Roboters übersetzt werden. Dadurch können wir wertvolle Zeit und Kosten sparen. Durch die Offline-Programmierung verkürzt sich der Lernvorgang des Roboters in der Schweißzelle um mehrere Stunden.“

Vor Produktionsbeginn werden die Bestellungen für den Tauro in einem Warenwirtschaftssystem angelegt. Diese Daten bilden die Grundlage für die Materialressourcenplanung. Hier werden sämtliche Fertigungsaufträge für Gehäuse und Flügeltüren generiert. Anschließend wird jedem Auftrag ein Produktionsdatum zugeordnet. Die anschließende Detailplanung erfolgt durch das Manufacturing Execution System. Jeder Auftrag wird minutengenau geplant, einem freien Auftragskorridor zugeordnet und anschließend aufgelistet.

Aufgrund der unterschiedlichen Blechstärken stellte das Schweißen des doppelwandigen Wechselrichtergehäuses von Anfang an eine besondere Herausforderung dar. „Bevor wir die einzelnen Blechelemente in der Roboterschweißzelle normgerecht zusammenfügen, werden sie manuell vorgeheftet. Wir nutzen hierfür das MAG-Schweißverfahren (Metall-Aktivgas). Schon hier ist präzises Arbeiten gefragt“, sagt Christian Kraus, Gruppenleiter Blechfertigung bei Fronius Solar.

Sobald das Heften abgeschlossen ist und dieser am Anlagenterminal eingegeben wurde, gibt die zentrale Anlagensteuerung den nächsten Schritt frei: das Roboterschweißen. Das Gehäuse wird nun auf den Rüstwagen gestellt, gespannt und in die Schleuse gefahren. Nach der Quittierung startet das System den nächsten Auftrag und die Auswahl des für die Positionierung und das Schweißen zuständigen Roboterprogramms erfolgt auf der Spannvorrichtung mittels Radio Frequency Identification (RFID)-Chip.

„Egal welches Bauteil wir in das Schloss einlegen, der RFID-Chip weiß, welches Schweißprogramm er verwenden muss“, ergänzt Kraus. „Über die Bauteilzuführung können wir sogar ein Wechselrichtergehäuse in Schleuse eins platzieren und gleichzeitig eine Flügeltür in Schleuse zwei schweißen. Und umgekehrt. Durch den Einsatz der RFID-Technologie ist es uns möglich, Bauteile völlig unabhängig von ihrer Form, Größe und Menge zu verschweißen. Ob Losgröße eins oder Serienfertigung, unsere Roboterschweißzelle schafft alles.“

Ingenieure von Fronius Solar programmieren und simulieren alle Roboterbewegungen und Schweißabläufe offline mit der digitalen Zwillingssoftware Fronius Pathfinder. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fronius Perfect Welding

Sobald der Schweißprozess gestartet ist, übernimmt ein FANUC R-2000iD/210FH Handlingroboter das Bauteil und führt es in die Schweißzelle. Das Anheben des Wechselrichtergehäuses erfordert praktisch keinen Kraftaufwand. Bei einer Reichweite von 2,6 Metern hat der Roboter eine Tragfähigkeit von 210 Kilogramm, wobei das Aluminiumgehäuse inklusive Spannvorrichtung nicht mehr als 140 Kilogramm wiegt. Sobald sich das Tauro-Gehäuse in der Schweißzelle befindet, wird mittels Tintenstrahldrucktechnologie ein Data-Matrix-Code auf den Gehäuseboden gedruckt. Der Code enthält die Seriennummern der einzelnen Tauro-Gehäuse. Es wird mit den Schweißdaten verknüpft, die die Datenmanagementsoftware WeldCube während des Schweißprozesses erfasst. Dadurch ist jede einzelne Schweißnaht zu 100 Prozent nachvollziehbar.

Nach dem Aufbringen des Codes beginnt der eigentliche Schweißprozess. Während ein FANUC ARC Mate 100iD Schweißroboter seine Arbeit verrichtet und 5,5 Meter Aluminiumblech mit insgesamt 96 Schweißnähten zusammenfügt, bringt der Handlingroboter das Gehäuse exakt in die richtige Position. Manche Schweißnähte erfordern perfekte gleichzeitige Bewegungen beider Roboter.

„Pulse Multi Control (PMC) Ripple Drive ist das bevorzugte Schweißverfahren“, erklärt Leithenmair. „Der PMC-Wellenantrieb ermöglicht eine präzise Einstellung des Wärmeeintrags und eignet sich perfekt zum Verbinden unterschiedlich dicker Bleche.“

Ein besonderes Merkmal des PMC-Verfahrens ist der Rippelantrieb. Eines seiner Hauptmerkmale ist eine zyklische Prozessumschaltung zwischen PMC und einer reversierenden Drahtbewegung über eine sogenannte Push-Pull-Antriebseinheit. Das PMC-Verfahren wurde für das automatisierte Schweißen entwickelt und ist viel schneller als das WIG-Schweißen. Dieses Verfahren liefert wellige, nahezu spritzerfreie Schweißnähte.

Als Zusatzwerkstoff kommt ein 1,2 Millimeter dicker Aluminium-Silizium-Draht zum Einsatz, der mit Argon-Schutzgas verschweißt wird. Die Schweißverfahren, Draht und Gas sind alle in den Systeminformationen zum Schweißauftrag enthalten.

Nach Ablauf des 17,5-minütigen Schweißzyklus legt der Handlingroboter das Bauteil in die Schleuse und die Schweißzelle sendet ein Abschlusssignal an das MES-System. Während die eine Sperre geleert wird, kann die andere den nächsten Auftrag starten.

„Die Zusammenarbeit mit einer prestigeträchtigen Marke wie Alfa Romeo ist eine unglaubliche Gelegenheit, Spitzentechnologien zu entwickeln, und wir sind stolz darauf, die greifbaren Ergebnisse der praxiserprobten Expertise von Comau zu sehen“, sagt Pietro Gorlier, CEO von Comau. „Unser Engagement für unerschütterliche Qualität spiegelt sich in den Prozessen und Produkten wider, die zur Herstellung des Tonale verwendet werden, und ermöglicht es uns, den maximalen Wert für den Kunden zu gewährleisten.“

„Bei der Unterstützung der Marke Alfa Romeo bei ihrer Produkterweiterung hat Comau seine langjährige Erfahrung in der Automatisierung und intelligenten Fertigung voll ausgeschöpft, um ein beispielloses Maß an Flexibilität zu bieten“, fügt Andrew Lloyd, Chief of Engineering bei Comau, hinzu. „Dieser innovative Ansatz zur Implementierung brandneuer Technologien und zur Umrüstung bestehender Linien und Anlagen ist ein direktes Ergebnis unseres Engagements, zunehmend skalierbare und nachhaltige Lösungen anzubieten und unseren Kunden dabei zu helfen, ihre Ziele heute und morgen besser zu erreichen.“

Das MES verwaltet verschiedenste Daten. Neben der Auftragsverwaltung erfasst es auch Maschinenzustände, Taktzeiten, Störungen und die Werte aus dem Vakuumtest, der nach Abschluss aller Schweißarbeiten durchgeführt wird. Auch Wartungsintervalle können über das MES definiert werden. Tritt beispielsweise durchschnittlich alle 100 Betriebsstunden ein bestimmter Fehler auf, kann ein spezifisches Wartungsintervall von 99 Stunden eingestellt werden. Konsequent im Voraus geplante Wartungsarbeiten verlängern die Lebensdauer von Schweißanlagen und verhindern unnötige Ausfallzeiten.

Die wenigen Gehäusedetails, die der Roboter nicht fertigstellen kann, werden manuell verschweißt. Für das Aluminiumschweißen kommt hierbei ein speziell entwickeltes WIG-Verfahren zum Einsatz. Nach Abschluss aller Schweißarbeiten werden eventuelle Schweißverstärkungen abgeschliffen, die Schweißnähte mit Farbeindringprüfflüssigkeit eingestrichen und auf Schweißfehler überprüft. Dabei dringt die Prüfflüssigkeit in eventuelle Materialfehler ein.

Nach Abschluss der Schweißnahtprüfung gelangt jedes freigegebene Gehäuse in die von Fronius speziell für den Tauro entwickelte Dichtheitsprüfanlage. Dadurch entsteht im Inneren des Wechselrichtergehäuses ein Vakuum von 60 Millibar, das über einen genau definierten Zeitraum aufrechterhalten werden muss. Sinkt der Druck in dieser Zeit um weniger als 1,8 Millibar, ist das Gehäuse zu 100 Prozent dicht und erfüllt die Schutzart IP65.

Nach bestandener Dichtheitsprüfung wird das Ergebnis mit der Seriennummer in WeldCube gespeichert und eine vollständige Rückverfolgbarkeit gewährleistet. Das Wechselrichtergehäuse ist nun bereit für die Pulverbeschichtung.

Weitere Informationen zur Schweißtechnik finden Sie unter www.fronius.com/de/schweisstechnik.

Weitere Informationen zu Schweiß- und Handhabungsrobotern finden Sie unter www.fanucamerica.com.