So lösen Sie mittels Steppnahtapplikation Herausforderungen beim hybriden Fügen

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Austreten von Klebstoff an den Schweißpunkten

In Zeiten von Leichtbau- und Multi-Material-Design ist das hybride Fügen einer der wichtigsten Trends im automobilen Rohbau. Beim hybriden Fügen werden hochfeste Klebstoffe für die strukturelle Verbindung mit anderen Fügetechnologien wie Punktschweißen, Fließlochschrauben oder Stanznieten kombiniert. Dies bietet wesentliche Vorteile:

• Höhere Strukturfestigkeit und Steifigkeit verbessern die Fahreigenschaften und die Crash-Sicherheit
• Verbesserte Korrosionsbeständigkeit der Verbindung
• Durch hochfeste Klebstoffe kann die Anzahl der Schweißpunkte reduziert werden

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Auskochen: zerstörter Klebstoff an Schweißpunkten

Die Kombination von Kleben mit anderen Verbindungsverfahren bringt viele Herausforderungen mit sich. An Schweiß- oder Nietstellen kann Klebematerial ausgepresst werden. Dies führt zu Materialabfall und Nacharbeiten. Beim Punktschweißen wird der Klebstoff durch die Wärme des Schweißprozesses zerstört, was zu einer Emission toxischer Dämpfe führen kann. Darüber hinaus ist ein höherer Schweißstrom erforderlich, und das System benötigt mehr Zeit zum Durchschweißen. Häufige Fehlermuster: 

• Ausquetschung: An Schweiß- oder Nietpunkten wird das Klebematerial herausgepresst. Dies kontaminiert das KTL-Bad und führt zu Nacharbeit sowie Materialverschwendung.
• Auskochen: Der Klebstoff wird durch das Erwärmen beim Punktschweißen zerstört. Dies kann zu Korrosion und geschwächten Verbindungen führen.

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Mit einer Steppnahtapplikation kann am Verbrennungsbereich des Schweißpunktes gezielt Material ausgespart werden.

Atlas Copco bietet ein Applikationsmuster, das speziell für das hybride Fügen entwickelt wurde, um diese Herausforderungen zu meistern. Die sogenannte Steppnaht ist eine unterbrochene Applikation mit definierten Materiallücken an den Schweißbereichen und bietet zahlreiche Vorteile:

• Die Steppnaht spart Material und damit Kosten.
• Eine präzise Applikation vermeidet Nacharbeit durch herausgepressten Klebstoff an den Punktfügestellen.
• Durch die Aussparung entstehen insbesondere beim Punktschweißen keine giftigen Dämpfe. Luftabsaugsysteme sind nicht mehr erforderlich. 
• Weniger Klebstoff bedeutet weniger Gewicht und eine Verringerung der CO2-Emissionen im späteren Fahrbetrieb.

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Materialeinsparung durch Steppnaht

Wie groß das Einsparpotenzial an Klebstoff ist, zeigt eine Beispielrechnung für die Applikation an den Türeinstiegen einer Seitenwand. Im Beispiel sind 54 Schweißpunkte am vorderen Türeinstieg und 44 Schweißpunkte am hinteren Türeinstieg vorgesehen – insgesamt also 98 Schweißpunkte. Appliziert wird eine Kleberaupe mit einem Durchmesser von 3 mm. Mit einer klassischen durchgehenden Raupenapplikation ergibt sich ein Materialvolumen von 38 ccm.

Bei der Applikation einer Steppnaht mit einer Lücke von 12 mm lassen sich pro Schweißpunkt 0,0848 ccm Material einsparen. Bei 98 Schweißpunkten pro Seitenwand sind das 8,3 ccm – eine Materialeinsparung von rund 22 %.

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Verhältnis von Schaltzeit und Robotergeschwindigkeit bei Steppnahtapplikationen

Die Vorteile der Steppnaht beim hybriden Fügen im Vergleich zu herkömmlichen durchgehenden Raupenapplikationen sind außergewöhnlich. Dennoch gibt es im Applikationsprozess erhebliche Herausforderungen hinsichtlich der Robotergeschwindigkeit und der Applikationsflexibilität. Produktionslinien mit hohen Stückzahlen erfordern Robotergeschwindigkeiten von bis zu 500 mm/s und mehr. Gleichzeitig werden die Fahrzeuggeometrien immer komplexer. Raupen- und Lückengröße müssen frei definierbar sein – und präzise und prozesssicher auf den Bauteil aufgebracht werden. Allerdings verzögern die Schaltzeiten zwischen Roboter, Systemsteuerung und Applikator die Reaktion der Ventilnadel, die die Düse öffnet und schließt. An dieser Stelle erreichen herkömmliche Applikationssysteme ihre Grenzen.

Beispiel: benötigte Schaltzeiten bei einer Robotergeschwindigkeit von 350 mm/s:

• 34,2 ms bei einer Applikation oder einer Lücke von 12 mm
• 28,5 ms bei einer Applikation oder einer Lücke von 10 mm
• 22,8 ms bei einer Applikation oder einer Lücke von 8 mm

Umsetzung über Robotersteuerung

Bei vielen industriellen Dosiersystemen muss die Steppnaht über die Robotersteuerung programmiert werden, wobei die Raupenlänger und die Lückenlänge manuell eingegeben werden müssen. Die Schaltzeit muss dabei zwingend mit der Robotergeschwindigkeit abgeglichen werden, da sonst die „mm“-Angaben nicht mit den Raupen- bzw. Lückenlängen übereinstimmen. Das erfordert einen hohen Programmieraufwand.

Umsetzung über Applikationssteuerung

Moderne Klebe- und Dosiersysteme für Industrieanwendungen aus der SCA-Produktlinie von Atlas Copco bieten eine spezielle Software für Steppnahtapplikationen. Die Raupen- und Lückenlängen können ganz einfach in mm direkt in der Applikationssteuerung eingegeben werden. Über das Pistolen-Auf-Signal startet der Roboter die Applikation. Die Ventilsteuerung errechnet selbstständig auf Basis der eingetragenen Raupen- und Lückenlängen die Ansteuerung der Ventileinheit. Die Robotergeschwindigkeit wird gleich mit verrechnet. Die Rückkopplung erfolgt über einen Wegaufnehmer und geht in die Berechnung mit ein. Der Roboterprogrammierer muss nur das Startsignal, die Auftragsbahn und die Geschwindigkeit verwalten, die Schaltsignale für den Auftragskopf bereitet die Klebesystemsteuerung selbständig auf.

Vorteile der softwarebasierten Programmierung:

• Automatische Ermittlung der Schaltzeiten
• Exakte Auslösung des Applikatorventils
• Hohe Flexibilität: Bis zu 128 Sequenzen (Raupe und Lücke) sind innerhalb eines Programms möglich
• Geringer Programmieraufwand und geringes Risiko von Bedienerfehlern

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Pneumatischer Hochgeschwindigkeits-Steppnahtapplikator

Ein asiatischer Automobilhersteller beschloss, hochfeste Klebeverbindungen mit Punktschweißen am Innenrahmen, Bodenrahmen, Mitteltunnel, Armaturenbrett und Radlauf einer neuen Fahrzeugplattform zu kombinieren. Ziel war es, die Steifigkeit, die Crashsicherheit und das Fahrverhalten insgesamt zu verbessern. Interne Untersuchungen haben gezeigt, dass sich das Fahrverhalten des Fahrzeugs mit bis zu 50 Metern Klebstoff im Unterboden deutlich verbessert hat. Die Steppnaht erwies sich als das für diese Herausforderung am besten geeignete Applikationsmuster. Sie ermöglicht eine großflächige Verteilung zwischen den Schweißpunkten an der Unterbodengruppe, ohne das 50-Meter-Optimum zu überschreiten. Die Anforderung des OEM war eine Robotergeschwindigkeit von mindestens 500 mm/s ohne Beeinträchtigung der Applikationsqualität und Prozesssicherheit.

Für diesen Kunden entwickelte Atlas Copco einen speziellen Applikator, um einen zuverlässigen Hochgeschwindigkeitsprozess gemäß den Kundenspezifikation zu ermöglichen. Die Lösung ist ein pneumatischer Applikator mit einem doppelt wirkenden Zylinder und extrem schnell schaltenden Druckluftventilen. Um den Nadelhub zu beschleunigen, hat Atlas Copco unter andere die Ventilöffnungen vergrößert. Beim Öffnen und Schließen der Düse kann die Luft schneller entweichen. Heute betreibt der asiatische OEM mehr als 100 Atlas Copco-Systeme im Rohbau und arbeitet bereits mit Atlas Copco zusammen, um die Robotergeschwindigkeit noch weiter zu erhöhen.