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Leichtbauspanner Additive Fertigung bringt neuen Schwung ins Laserschweißen

Redakteur: Peter Königsreuther

Mithilfe des 3D-Drucks ist es H. P. Kaysser gelungen eine Leichtbau-Spannvorrichtung für das Laserschweißen zu erschaffen. Der Thinking Award im Oktober ist die Belohnung. Das kann er, der Spanner...

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Der Leichtbau-Thinking-Star im Oktober 2020: Die Laserschweißvorrichtung aus dem Hause Kaysser überzeugt durch ihre kurze Time-to-Market, die Passgenauigkeit. Außerdem erfordere sie weniger Nacharbeit.
Der Leichtbau-Thinking-Star im Oktober 2020: Die Laserschweißvorrichtung aus dem Hause Kaysser überzeugt durch ihre kurze Time-to-Market, die Passgenauigkeit. Außerdem erfordere sie weniger Nacharbeit.
(Bild: Kaysser)

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg stellt im Rahmen des Thinking jeden Monat eine besonders gelungene Leichtbau-Innovation vor. Den Vogel abgeschossen, hat im Oktober das Unternehmen H. P. Kaysser mit einer spacigen Spannvorrichtung für Bauteile, die per Laser und Roboterunterstützung geschweißt werden sollen. Mithilfe der Additiven Fertigung mit Metall entstand die lastoptimierte, materialsparende und bionische Struktur, die dennoch kräftig zupacken kann. Das Spannsystem rechnes sich auch dann, wenn es um geringe Stückzahlen gehe.

Es muss nicht immer 's Fräsen sein...

Die awardbelohnte Leichtbau-Laserschweißvorrichtung, wurde, wie es weiter heißt, ganz bedarfsgerecht von H. P. Kaysser konstruiert und dann in Edelstahl 1.4404 additiv gefertigt.

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„Wir nutzen den Metall-3D-Druck, um besonders haltbare und robuste Fertigungshilfsmittel zu schaffen. Denn die Additive Fertigung ergänzt die Prozesskette für lasergeschweißte Blechbauteile hervorragend. Sie bietet sowohl den Anwendern als auch uns viele Möglichkeiten, um auch kniffelige Aufgaben zu lösen“, erklärt Tobias Scheffel aus dem Vertrieb von H.P. Kaysser. Der hauseigene Vorrichtungsbau des Unternehmens fertigt übrigens Vorrichtungen für Laserschweiß- und auch Zerspanungsanwendungen für kundenspezifische Anforderungen. Normalerweise würden diese Vorrichtungen ja aus dem Vollen gefräst, doch das hat den Nachteil, dass man im Hinblick auf die machbare Geometrie eingeschränkt ist, erklärt Kaysser.

Kurzer Prozess durch Funktionsintegration

Doch speziell im Leichtbau, der neues Denken und damit auch oft ein viel komplexeres Bauteildesign verlangt, sind für herausfordernde Blechanwendungen immer wieder individuelle Spannkonzepte notwendig, heißt es weiter. Mit einem hochmodernen Trumpf-3D-Druck-Maschinenpark könne H.P. Kaysser in diesem Sektor aber auch komplexe Vorrichtungen in kürzester Zeit und nach eigenen Vorstellungen Wirklichkeit werden lassen.

Also wurde auch die für den Leichtbau charakteristische Funktionsintegration bei der Laserschweißvorrichtung umgesetzt – obwohl das Bauteilgewicht eigentlich nicht ausschlaggebend ist, weil die Vorrichtung auf einem Dreh-Kipp-Tisch montiert wird, so Kaysser.

Und integriert wurden innere Zuleitungen, die das für den Laserschweißprozess nötige Schutzgas individuell an den Schweißnahtbereich führen können, betont Kaysser. Die Qualität der Fügenaht werde beim Laserschweißen auf damit deutlich verbessert. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Prozessschritt bei der Herstellung des Blechbauteils obsolet ist, weil die Schweißnaht auch nicht mehr nachbearbeitet werden muss.

Time-to-market wird deutlich kürzer

Durch den 3D-Metalldruck für den Vorrichtungsbau gewinne einerseits H.P. Kaysser selbst – wegen hausinterner Konstruktion und zeitnaher Fertigung gemäß 24/7-Prinzip – enorm an Geschwindigkeit. Das zahle sich auch für die häufig wechselnden Projekte aus. Denn wegen der passgenaue Ergebnisse liefernden Additiven Fertigung können die zeitraubenden iterativen Optimierungen für konventionell gefertigte Spannvorrichtungen entfallen, merkt Kaysser an.

Andererseits könne schneller mit der Fertigung der Blechbauteile begonnen und die Fertigung deutlich beschleunigt werden. „Benötigt ein bisher nur durch manuelles Schweißen zu fertigende Bauteil etwa pro Stück eine Bearbeitungszeit von etwa 8 bis 10 Minuten, so kann der Anwender mithilfe des Laserschweißens per Roboter aber mit nur noch 3 Minuten kalkulieren“, so Scheffel.

Exakte, endkonturnahe Bauteilfixierung

Allerdings sei die Vorrichtung an sich in der Stückkostenberechnung für die Blechteile ein hoher Kostenfaktor, weshalb der Zeitvorteil in der Produktion der Teile erst ab einer gewissen Grenzstückzahl eine merkliche Rolle spiele.

Dennoch amortisiert sich eine additiv gefertigte Laserschweißvorrichtung schneller, erklärt Scheffel, weil für anspruchsvolle Anwendungen lasergeschweißte Blechkomponenten auch mit komplexen Geometrien und niedrigeren Stückzahlen herstellbar werden.

Der generative Aufbau (ein anderes Wort für additive) erlaubt es, die Vorrichtung außerdem so zu gestalten, dass die Zugänglichkeit für die Roboterschweißoptik optimal wird und gleichzeitig die Entnahme des Bauteils durch eine weite Öffnung erleichtert werden kann, so Kaysser. Scheffels: „Der Schlüssel des Erfolgs erklärt sich im endkonturnahen Design des Spannkonzepts.“ Denn auf der additiv gefertigten Vorrichtung sind die einzelnen Blechteile mit den Spannern sehr leicht genau so fixierbar, dass sie beim Laserschweißprozess ideal zueinander positioniert sind.

„Beim Laserschweißen darf der Fügespalt nur knapp 0,1 mm betragen, weshalb die Blechteile ganz exakt zueinander liegen müssen – eine wichtige Voraussetzung also für eine qualitativ hochwertige Schweißnaht darstellt“, stellt Tobias Scheffel klar. Gleichzeitig kann der Schweißroboter genügend Raum nutzen, um auch filigrane Stellen und kleine Ecken sowie Kanten sauber miteinander zu verbinden. Das spiele vor allem dann eine Rolle, wenn die Komplexität der Bauteile steige, was im Leichtbau bekanntlich öfter vorkomme.

Mehrwert durch deutlich reduzierte Produktionskosten

Die Laserschweißvorrichtung kann außerdem vergleichsweise kompakt gehalten werden. So könnten die Vorrichtungen platzsparender und leichter umgesetzt werden, was deutlich weniger Folgekosten bei der Lagerung entstehen ließe. Der erreichte Mehrwert zahlt sich laut Kaysser letztlich in reduzierten Produktionskosten aus. Denn die Laserschweißteile sind mit den professionell gefertigten Vorrichtungen über einen automatisierten Roboterschweißprozess wiederholgenauer, wirtschaftlicher und in einer höheren Qualität herstellbar, fasst Scheffel abschließend zusammen. Hier noch ein anschauliches Video:

Und die Vorteile dieser additiv gefertigten Edelstahl-Spannvorrichtung abschließend nochmal im Überblick:

  • Schneller: verkürzte Time-to-Market durch additiv gefertigte, individuelle Spannkonzepte;
  • Erhöhte Komplexität der Blechbauteile dank Designfreiheit bei der Spannvorrichtung;
  • Verbesserte Qualität durch automatisierte Roboterschweißung anstelle manuellen Schweißens;
  • Kosteneffizient: Nachbearbeitung der Schweißnähte kann entfallen.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt veröffentlicht.

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