High Performance für das Schweißen von Getrieberädern

23.02.2018 - Markus Isgro

In jedem Schalt- oder Doppelkupplungsgetriebe finden sich sog. Schalträder: Sie übertragen das Drehmoment des Motors über einen Kupplungskörper ( Synchronkörper ) und eine Schaltmuffe an die Antriebsachse. Pro Gangstufe ist ein Schaltrad vorhanden, d.h. bei einem 7-Gang-Getriebe werden 7 + 1 Schalträder benötigt.

Bewährt hat sich eine Bauweise aus Rad und Kupplungskörper, beide Einzelteile werden miteinander gefügt und verschweißt.

Die EMAG ELC 160 HP ist eine Fertigungslösung von EMAG, die speziell für diese Operation, das Fügen von Rad und Kupplungskörper, entwickelt wurde. Innerhalb einer Fertigungslinie deckt die ELC 160 HP die Teiloperationen Fügen ( Pressen ), Vorwärmen zum Schweißen ( falls erforderlich ) und schließlich das Laserstrahlschweißen selbst ab. Um möglichst kurze Taktzeiten zu erreichen laufen diese Teilprozesse parallel ab: die ELC 160 HP ist eine Rundtaktmaschine und damit prädestiniert für die hochproduktive Fertigung: Damit ist auch der Name erklärt: Das Kürzel ‚HP‘ steht für ‚High Performance‘ oder ‚hoch produktiv‘. Typische Schalträder für PKW-Getriebe werden mit einer Taktzeit von rund 10 sec (!) produziert.Nun ist das Prinzip der Rundtaktmaschine alles andere als neu: Im Gegenteil, in vielen Bereichen wurden Rundtaktmaschinen als zu unflexibel durch andere Maschinenkonzepte abgelöst.

An dieser Stelle greift die eigentliche Innovation der ELC 160 HP: Durch eine für EMAG patentierte Methode zum automatisierten Umrüsten der Werkstück-spanntechnik ist die ELC 160 HP in der Lage, unterschiedliche Werk¬stücke flexibel bis hinab zur Losgröße 1 zu herzustellen.

Vier Prozesse simultan – High Performance dank cleverer Taktung

Zentral, im wahrsten Sinne des Wortes, ist der Aufbau der Maschine rund um eine zentrale Mittelsäule, an der sämtliche Komponenten angebracht sind. Um diese Mittelsäule herum, verläuft ein Rundschalttisch der für den Teiletransport zu den 4 Prozessstationen sorgt. Durch eine Reihe von konstruktiven Besonderheiten wird die Positioniergenauigkeit des Werkstücks in der Bearbeitungsstation bei hoher Schaltgeschwindigkeit des Rundschalttischs sichergestellt. In Verbindung mit der EMAG-eigenen Spanntechnik eignet sich die ELC 160 HP aufgrund ihrer hohen Maschinengenauigkeit auch für anspruchsvollste, extrem schlanke Schweißnähte.Der Bearbeitungsprozess beginnt an der Be- bzw. Entladestation. Für den Transport der Teile vom Transportband zum Rundschalttisch und zurück, stehen zwei Pick&Place Einheiten  zur Verfügung, die mit pneumatischen Greifern ausgestattet sind. Von hier geht es, zur Fügestation. Diese kann mit bis zu drei (unterschiedlichen) Fügestempeln bestückt werden, die per NC-Befehl ausgewählt und ohne Zeitverlust gerüstet werden. Damit wird in Anwendungsfällen, in denen z.B. der gesamte Rädersatz eines Getriebes produziert werden muss, vollständige Flexibilität und Umrüstfreiheit gewährleistet.Das Fügen selbst erfolgt mittels Servopresse präzise und schnell; als Prozessüberwachung dient eine integrierte Kraft/Weg-Überwachung.Im nächsten Takt erreicht das Werkstück die dritte Bearbeitungsstation, an der das induktive Vorwärmen erfolgt. Auch hier steht dem Anwender eine Schlitteneinheit mit maximal 2 Induktoren zur Verfügung, die ebenfalls ein automatisches Umrüsten ermöglicht. Eine kurze Drehung der Schalttisches später, befindet sich das Werkstück schließlich im Herzstück der Anlage, beim Laserschweißen. Auch hier findet sich etwas Besonderes: Die Werkstücke werden bei EMAG prinzipiell zum Schweißen axial eingespannt; dies dient sowohl zur Vermeidung von Verzügen als auch zum Schutz des Werkstücks vor Schweißspritzern. Diese Spann- und Vorrichtungstechnik kann für unterschiedliche Werkstückgeometrien automatisch, im Takt der Maschine, gerüstet werden. Bis zu drei Vorrichtungen können vorgehalten werden, was in der Regel ausreichend ist.  So wird auch hier maximale Flexibilität und Umrüstfreiheit gewährleistet .Dieses Prinzip des automatisierten Umrüstens ( EMAG Patent ) sorgt für maximale Effizienz der ELC 160 HP denn es wird nicht nur ein manueller Umrüstvorgang vermieden sondern auch die Wartezeit für die dann erforderliche, zerstörende Prüfung des ersten nach dem manuellen Rüsten geschweißten Werkstücks.Durch die zeitliche Parallelisierung der Teiloperationen Be- / Entladen, Fügen, Vorwärmen und Laserstrahlschweißen erreicht die ELC 160 HP maximale Produktivität: In der Regel werden Schalträder für PKW-Getriebe mit einer Taktzeit von nur 10 sec produziert. Durch das automatisierte Umrüsten wird der Nachteil von Rundtaktmaschinen, die geringe Flexibilität , beseitigt und die Quadratur des Kreises geschafft.Wie die beiden Stationen davor, verfügt auch diese Station über eine Schlitteneinheit mit bis zu 3 Gegenlagern um auch hier das automatische Umrüsten zu gewährleisten. Der Schweißkopf verfügt über eine X-Achse, für die Nahtlage und eine Z-Achse um die Fokuslage einzustellen. Optional lässt sich diese Station mit einer Fadenkreuz-Kamera ausstatten. Alle 4 beschrieben Prozesse laufen parallel ab und ermöglichen extrem kurze Taktzeiten mit einem Rekordwert von gerade einmal 10 Sekunden. 

Kompakter Aufbau – Perfekte Ergonomie

Trotz des kompakten Aufbaus der Maschine, müssen in Punkto Ergonomie und Zugänglichkeit für Wartungsaufgaben keinerlei Abstriche gemacht werden. Durch die im 90 Grad Winkel angeordneten Prozessstationen, ist jeder der Arbeitsräume separat und damit optimal erreichbar. Theoretisch ist eine Wartung aller 4 Arbeitsräume gleichzeitig problemlos möglich. Die komplette für den Betrieb der Anlage notwendige Technik, ist ebenfalls kompakt, aber dennoch freizugänglich in einem Steuerschrank neben der Maschineneinheit untergebracht. Hier ist die komplette Elektrik und Pneumatik, sowie der Induktionsgenerator, die Sensorik, die Schweißrauchabsaugung und Filterung und CO2-Löschanlage zentral an einem Platz erreichbar. Für Wartungsaufgaben ist die feststehende Strahlführung und Schweißoptik ebenfalls relevant. Diese sorgt nicht nur für  extreme Betriebssicherheit, sondern gestaltet auch die Einstell- und Wartungsarbeiten äußerst Servicefreundlich. Die feststehende Schweißoptik stellt außerdem sicher, dass der Laser immer in das Maschineninnere strahlt, was für zusätzliche Arbeitssicherheit sorgt. Eine für den Bediener nicht nur ergonomische, sondern zudem sehr sichere Maschinenanordnung.

Lasertechnologie – Ausschließlich Festkörperlaser 

Auf der ELC 160 HP werden ausschließlich Festkörperlaser, wie z.B. dem fasergeführten TruDisk Laser von TRUMPF mit Scheibenlaserprinzip, oder Direkt Dioden Laser Systeme von IPG eingesetzt. EMAG gehört zu den Pionieren im Einsatz von Festkörperlasern beim Schweißen von Powertrainkomponenten und ist von deren Vorteilen überzeugt. „Die diodengepumpten Festkörperlaser weisen einen Wirkungsgrad von rd. 30% auf. Das bedeutet, dass ein unter Volllast laufendes 4kW-Aggregat, inklusive dem Kühlaggregat nur ca. 25 kW verbraucht. Für den Kunden bedeutet dies erhebliche Kostenersparnisse, was die Betriebskosten der Anlage betrifft, wenn man diese Werte z.B. mit traditionellen Lasersystemen vergleicht.“ Erklärt Nikolas Meyer, Vertriebsleiter bei EMAG Automation. Zusätzlich ermöglicht der Einsatz von Festkörperlaser das Schweißen ohne Schutzgas, was weitere Kostenersparnisse ermöglicht. Festkörperlaser ermöglichen weiterhin bei vielen Anwendungen erheblich schnellere Schweißvorgänge. Für die Bauteilequalität bedeutet dies, dass durch die reduzierte Streckenenergie auch der Wärmeeintrag in das Bauteil gesenkt wird, was wiederum zu reduzierten Schweißverzügen führt – aufwendige Nachbearbeitungen entfallen. Es wird deutlich, warum die ELC 160 HP zurecht als „High Performance“ Schweißanlage bezeichnet werden kann. Das gesamte Konzept, von der Prozessfolge, über die eingesetzte Technologie, bis zum ergonomisch-kompakten Aufbau – die ELC 160 HP ist konsequent auf Leistung und Produktivität getrimmt. Mit den zu realisierenden extrem kurzen Taktzeiten bietet EMAG ein hochinteressantes Laserschweißsystem für Fertigung von Powertrainkomponenten, welches sicherlich am Markt eine große Resonanz finden wird. 

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