Automatisiertes Laserlöten im Karosseriebau
Glückliche Fügung
Laserstrahlen bringen Metalle zum Schmelzen und sogar zum Verdampfen - hocheffizient und punktgenau. Sie werden deshalb immer häufiger als Werkzeug für das Fügen von Bauteilen eingesetzt, zum Beispiel in der Automobilindustrie. Herkömmliche Geräte zum Laserlöten und -schweißen haben nur einen einzelnen Brennpunkt, auch Spot genannt. Das Unternehmen Laserline hat hingegen Mehrfach-Spot-Optiken entwickelt, mit denen sich auch besonders schwierige Materialien bearbeiten lassen. Für deren zuverlässige Funktion sorgen unter anderem Motoren von Faulhaber.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGUm den Stahl vor Rost zu schützen, setzen Autohersteller für die Karosserien zum großen Teil verzinkte Bleche ein. Wurde die metallische Schutzschicht früher in der Regel galvanisch aufgetragen, so wird inzwischen immer häufiger die feuerverzinkte Variante gewählt.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG
Löten oder Schweißen?
Das Löten bietet im Vergleich zum Schweißen für die Serienfertigung im Automobilbau eine Reihe von Vorteilen. Beim Schweißen werden die Bleche entlang der Schweißnaht selbst auf Schmelztemperatur gebracht und direkt miteinander verbunden. Das erfordert eine höhere Präzision und man erreicht keine Sichtnahtqualität. Beim Schweißen wird die Naht rauh und durch Zinkausgasungen porig. Beim Löten wird dagegen eine Naht aus einem anderen Material als Zusatzwerkstoff zwischen die Bleche eingebracht. Dieses Kupfer/Silizium-Lot - beim Löten flüssig und danach wieder fest - verbindet die Teile nicht nur, sondern füllt auch die Fuge zwischen ihnen aus. Das Löten erlaubt folglich eine größere Maßtoleranz und erfordert weniger Aufwand bei Einspannen der Werkstücke. Vor allem lassen sich damit spaltfreie Verbindungen in Sichtqualität erzielen, das heißt: man kann die gelöteten Bauteile anschließend direkt lackieren. Bei feuerverzinkten Blechen verhielt sich das Lot jedoch nicht wie gewohnt. "Auf den Flächen neben der Naht gab es vermehrt Spritzer von flüssigem Lot - vor allem Mikrospritzer, die anfangs kaum zu sehen sind, nach dem Lackieren aber deutlich in Erscheinung treten", erklärt Dr. Axel Luft, Vertriebsleiter Automotive bei Laserline. "Auch die Qualität der Naht selbst ließ nach. Sie wurde rauer und bildete häufig sogenannte Wavelets, also Stellen, an denen das Lot die vorgesehene Nahtgrenze überschritt."
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGLösung für feuerverzinkte Bleche
Diese Probleme hatten offensichtlich mit der Zinkschicht auf dem Stahlblech zu tun. Durch das Feuerverzinken war sie insgesamt dicker geworden, bei größeren Schwankungen in ihrer Stärke. Außerdem zeigte sie ein anderes Reflexionsverhalten, was sich beim Lötvorgang ebenfalls negativ auswirkte. Thorge Hammer, der als Ingenieur in der Technologieplanung und -entwicklung bei Volkswagen in Wolfsburg für diesen Lötprozess zuständig ist, hatte eine Idee, wie das Problem zu lösen sei: Das Zink sollte vor dem eigentlichen Löten von den Nahtkanten entfernt werden. Dazu müsste allerdings der übliche kreisförmige Laser-Spot rechteckig werden und zudem mit einer Aussparung für die Zuführung des Lots versehen sein. So sollten der vordere Teil des Spots das Entfernen des Zinks übernehmen, während der größere Teil des Rechtecks das eigentliche Löten erledigt.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGAuf der richtigen Spur
"Diese Lösung ließ sich technisch nicht verwirklichen, doch wir waren damit schon auf der richtigen Spur", erinnert sich Dr. Markus Baumann, leitender Entwicklungsingenieur bei Laserline. "Statt einen Spot mit einer komplexen - und damit optisch sehr schwierigen - Form zu bilden, haben wir schließlich dem Haupt-Spot zwei kleinere Neben-Spots hinzugefügt." Sie sind beim Löten immer vor dem einige Quadratmillimeter großen Haupt-Spot auf die Randfläche der Naht gerichtet. Ihre Energie reicht aus, um die Zinkschicht in diesem Bereich zu verdampfen, den Stahl anzuschmelzen und eine leichte Oxidation zu erzeugen. So entsteht eine sogenannte Passivschicht, die ein Hochschwappen des vom nachfolgenden Haupt-Spot verflüssigten Lots verhindert. Damit entfällt auch die Nacharbeit, bei der die Lot-Spritzer vor dem Lackieren wieder entfernt werden müssen. Der quadratische Spot hat sich aber auch aus einem weiteren Grund als eine gute Lösung erwiesen: Er verteilt die Wärme gleichmäßiger auf das Lot als ein kreisförmiges Pendant, was ebenfalls zum ruhigeren Lötbad beiträgt. "Wir konnten mit dieser Technik schließlich die Probleme, die mit den feuerverzinkten Blechen entstanden waren, vollständig beseitigen.", führt Luft weiter aus. "Inzwischen ist sie bei VW Teil der Serienproduktion, wo wir eine Lötgeschwindigkeit bis 4,5m/min erreichen." Weitere Automobilhersteller sollen demnächst folgen.
Strahlteilung mit Optikmodul
Für die punktgenaue Ausrichtung der Spots ist ein Modul zuständig, in dem verschiedene optische Elemente untergebracht sind, die den Laserstrahl gezielt verändern. Die Kollimationslinse lässt die zuvor divergent aus einem Lichtleitkabel austretenden Laserstrahlen parallel laufen. Ein sogenanntes Homogenisierungs-Array erzeugt den Haupt-Spot, weitere optische Elemente teilen den Strahl auf und erzeugen zusätzliche Spots. Im Fall der Lötanwendung werden zwei vorauslaufende, den Haupt-Spot flankierende Vor-Spots erzeugt. Um am Ende des Prozesses die gewünschte saubere Naht zu erhalten, muss die Leistungsaufteilung zwischen den großen und kleinen Spots exakt eingestellt werden. Wie sich die Laserleistung auf diese Spots verteilt, hängt von der Position der optischen Elemente ab. Indem man sie auf der x- und der y-Achse verschiebt, kann man die gewünschte exakte Aufteilung der Laserleistung für eine spezifische Aufgabe erreichen. So lässt sich zum Beispiel auch zum Tiefschweißen von Aluminium ein kleiner, intensiver Spot im schwächeren großen Spot platzieren. Beim Verschweißen unterschiedlich dicker Bleche kann man zwei Spots an das jeweilige Material anpassen. Das kann im laufenden Prozess geschehen, weil die Elemente im Optikmodul von Laserline von Motoren bewegt werden.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGWenig Platz für Antriebe
Die Kantenlänge des quadratischen Moduls beträgt 12cm, bei einer Tiefe von 5cm. Auf diesem engen Raum sind die optischen Elemente und eine ausgefeilte Mechanik untergebracht. Für die Motoren bleibt da wenig Platz. Die erste Forderung an die Antriebe lautet deshalb Kompaktheit. "Wir haben uns letztendlich für bürstenlose DC-Servomotoren der Serie 1226? B von Faulhaber mit 12mm Durchmesser entschieden, mit direkt an die Motorwelle angeklebter Spindel und ohne Wellenkupplung", sagt Baumann. "Damit haben wir einen sehr kompakten Antrieb, der trotzdem zuverlässig die benötigte Kraft und Geschwindigkeit liefert. Sehr wichtig war uns auch die einfache Integration der Motorsteuerung in die Anlage." Der analoge Motion Controller von Faulhaber wurde außerhalb des Moduls untergebracht und kommt mit zwei Kanälen aus. Wenn gewünscht, kann der Motor auch einen CAN-Anschluss erhalten, ohne dass etwas an Mechanik oder Gehäuse zu ändern wäre. Man steckt dann einfach den digitalen Controller statt des analogen ein.
Motor mit Positionsgarantie
Die Laseroptik ist beim Löten und Schweißen an einem Roboterarm montiert und wird von diesem bewegt. Dabei muss sie beträchtliche dynamische Belastungen aushalten, die auch auf die Motoren wirken und ungewollte Änderungen der Position auslösen können. "Der Faulhaber-Motor hat damit kein Problem, denn er erkennt die geregelte Position durch einen integrierten Hall-Sensor und regelt bei Bedarf nach, spätestens wenn der Laser an der Naht ansetzt", betont Luft. "Das gibt uns die Sicherheit, dass Fehlpositionen ausgeschlossen werden. Aufgrund der hohen Qualität der Antriebe können wir uns auf dauerhaft reproduzierbare Ergebnisse verlassen. Das ist entscheidend, denn unsere Kunden erwarten eine störungsfreie Funktion über einen Zeitraum von mindestens sieben Jahren." Die Entwickler bei Laserline hatten auch schon vor acht Jahren den passenden Motor für eine neue Zoom-Optik bei Faulhaber gefunden. Damals wurden für diese Geräteart allgemein Schrittmotoren verwendet, die allerdings mit der Massenbeschleunigung im Roboterarm ihre Probleme hatten, wie der Baumann berichtet: "Die dynamische Belastung kann bewirken, dass ein Schrittmotor einzelne Schritte auslässt. Um das zu verhindern, kann man zur Positionserfassung zusätzlich einen Encoder einsetzen und nachregeln. Das ist nicht nur aufwendig, sondern in dieser Kombination auch teuer." Mit dem Faulhaber-Antrieb habe man hingegen eine sehr günstige Lösung geschaffen, die sich seitdem bewährt hat. Auch das neue Multi-Spot-Modul verrichtet seine Arbeit in der Serienproduktion bereits einwandfrei und hat in Fachkreisen große Anerkennung gefunden: So hat die technische Lösung und deren Effizienz in der industriellen Anwendung die Jury des "Innovation Award Laser Technology" überzeugt. Sie verlieh dem Entwicklerteam in diesem Jahr den ersten Preis.
Laserstrahlen bringen Metalle zum Schmelzen und sogar zum Verdampfen - hocheffizient und punktgenau. Sie werden deshalb immer häufiger als Werkzeug für das Fügen von Bauteilen eingesetzt, zum Beispiel in der Automobilindustrie. Herkömmliche Geräte zum Laserlöten und -schweißen haben nur einen einzelnen Brennpunkt, auch Spot genannt. Das Unternehmen Laserline hat hingegen Mehrfach-Spot-Optiken entwickelt, mit denen sich auch besonders schwierige Materialien bearbeiten lassen. Für deren zuverlässige Funktion sorgen unter anderem Motoren von Faulhaber.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGUm den Stahl vor Rost zu schützen, setzen Autohersteller für die Karosserien zum großen Teil verzinkte Bleche ein. Wurde die metallische Schutzschicht früher in der Regel galvanisch aufgetragen, so wird inzwischen immer häufiger die feuerverzinkte Variante gewählt.Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG
Löten oder Schweißen?
Das Löten bietet im Vergleich zum Schweißen für die Serienfertigung im Automobilbau eine Reihe von Vorteilen. Beim Schweißen werden die Bleche entlang der Schweißnaht selbst auf Schmelztemperatur gebracht und direkt miteinander verbunden. Das erfordert eine höhere Präzision und man erreicht keine Sichtnahtqualität. Beim Schweißen wird die Naht rauh und durch Zinkausgasungen porig. Beim Löten wird dagegen eine Naht aus einem anderen Material als Zusatzwerkstoff zwischen die Bleche eingebracht. Dieses Kupfer/Silizium-Lot - beim Löten flüssig und danach wieder fest - verbindet die Teile nicht nur, sondern füllt auch die Fuge zwischen ihnen aus. Das Löten erlaubt folglich eine größere Maßtoleranz und erfordert weniger Aufwand bei Einspannen der Werkstücke. Vor allem lassen sich damit spaltfreie Verbindungen in Sichtqualität erzielen, das heißt: man kann die gelöteten Bauteile anschließend direkt lackieren. Bei feuerverzinkten Blechen verhielt sich das Lot jedoch nicht wie gewohnt. "Auf den Flächen neben der Naht gab es vermehrt Spritzer von flüssigem Lot - vor allem Mikrospritzer, die anfangs kaum zu sehen sind, nach dem Lackieren aber deutlich in Erscheinung treten", erklärt Dr. Axel Luft, Vertriebsleiter Automotive bei Laserline. "Auch die Qualität der Naht selbst ließ nach. Sie wurde rauer und bildete häufig sogenannte Wavelets, also Stellen, an denen das Lot die vorgesehene Nahtgrenze überschritt."
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGLösung für feuerverzinkte Bleche
Diese Probleme hatten offensichtlich mit der Zinkschicht auf dem Stahlblech zu tun. Durch das Feuerverzinken war sie insgesamt dicker geworden, bei größeren Schwankungen in ihrer Stärke. Außerdem zeigte sie ein anderes Reflexionsverhalten, was sich beim Lötvorgang ebenfalls negativ auswirkte. Thorge Hammer, der als Ingenieur in der Technologieplanung und -entwicklung bei Volkswagen in Wolfsburg für diesen Lötprozess zuständig ist, hatte eine Idee, wie das Problem zu lösen sei: Das Zink sollte vor dem eigentlichen Löten von den Nahtkanten entfernt werden. Dazu müsste allerdings der übliche kreisförmige Laser-Spot rechteckig werden und zudem mit einer Aussparung für die Zuführung des Lots versehen sein. So sollten der vordere Teil des Spots das Entfernen des Zinks übernehmen, während der größere Teil des Rechtecks das eigentliche Löten erledigt.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGAuf der richtigen Spur
"Diese Lösung ließ sich technisch nicht verwirklichen, doch wir waren damit schon auf der richtigen Spur", erinnert sich Dr. Markus Baumann, leitender Entwicklungsingenieur bei Laserline. "Statt einen Spot mit einer komplexen - und damit optisch sehr schwierigen - Form zu bilden, haben wir schließlich dem Haupt-Spot zwei kleinere Neben-Spots hinzugefügt." Sie sind beim Löten immer vor dem einige Quadratmillimeter großen Haupt-Spot auf die Randfläche der Naht gerichtet. Ihre Energie reicht aus, um die Zinkschicht in diesem Bereich zu verdampfen, den Stahl anzuschmelzen und eine leichte Oxidation zu erzeugen. So entsteht eine sogenannte Passivschicht, die ein Hochschwappen des vom nachfolgenden Haupt-Spot verflüssigten Lots verhindert. Damit entfällt auch die Nacharbeit, bei der die Lot-Spritzer vor dem Lackieren wieder entfernt werden müssen. Der quadratische Spot hat sich aber auch aus einem weiteren Grund als eine gute Lösung erwiesen: Er verteilt die Wärme gleichmäßiger auf das Lot als ein kreisförmiges Pendant, was ebenfalls zum ruhigeren Lötbad beiträgt. "Wir konnten mit dieser Technik schließlich die Probleme, die mit den feuerverzinkten Blechen entstanden waren, vollständig beseitigen.", führt Luft weiter aus. "Inzwischen ist sie bei VW Teil der Serienproduktion, wo wir eine Lötgeschwindigkeit bis 4,5m/min erreichen." Weitere Automobilhersteller sollen demnächst folgen.
Strahlteilung mit Optikmodul
Für die punktgenaue Ausrichtung der Spots ist ein Modul zuständig, in dem verschiedene optische Elemente untergebracht sind, die den Laserstrahl gezielt verändern. Die Kollimationslinse lässt die zuvor divergent aus einem Lichtleitkabel austretenden Laserstrahlen parallel laufen. Ein sogenanntes Homogenisierungs-Array erzeugt den Haupt-Spot, weitere optische Elemente teilen den Strahl auf und erzeugen zusätzliche Spots. Im Fall der Lötanwendung werden zwei vorauslaufende, den Haupt-Spot flankierende Vor-Spots erzeugt. Um am Ende des Prozesses die gewünschte saubere Naht zu erhalten, muss die Leistungsaufteilung zwischen den großen und kleinen Spots exakt eingestellt werden. Wie sich die Laserleistung auf diese Spots verteilt, hängt von der Position der optischen Elemente ab. Indem man sie auf der x- und der y-Achse verschiebt, kann man die gewünschte exakte Aufteilung der Laserleistung für eine spezifische Aufgabe erreichen. So lässt sich zum Beispiel auch zum Tiefschweißen von Aluminium ein kleiner, intensiver Spot im schwächeren großen Spot platzieren. Beim Verschweißen unterschiedlich dicker Bleche kann man zwei Spots an das jeweilige Material anpassen. Das kann im laufenden Prozess geschehen, weil die Elemente im Optikmodul von Laserline von Motoren bewegt werden.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGWenig Platz für Antriebe
Die Kantenlänge des quadratischen Moduls beträgt 12cm, bei einer Tiefe von 5cm. Auf diesem engen Raum sind die optischen Elemente und eine ausgefeilte Mechanik untergebracht. Für die Motoren bleibt da wenig Platz. Die erste Forderung an die Antriebe lautet deshalb Kompaktheit. "Wir haben uns letztendlich für bürstenlose DC-Servomotoren der Serie 1226? B von Faulhaber mit 12mm Durchmesser entschieden, mit direkt an die Motorwelle angeklebter Spindel und ohne Wellenkupplung", sagt Baumann. "Damit haben wir einen sehr kompakten Antrieb, der trotzdem zuverlässig die benötigte Kraft und Geschwindigkeit liefert. Sehr wichtig war uns auch die einfache Integration der Motorsteuerung in die Anlage." Der analoge Motion Controller von Faulhaber wurde außerhalb des Moduls untergebracht und kommt mit zwei Kanälen aus. Wenn gewünscht, kann der Motor auch einen CAN-Anschluss erhalten, ohne dass etwas an Mechanik oder Gehäuse zu ändern wäre. Man steckt dann einfach den digitalen Controller statt des analogen ein.
Motor mit Positionsgarantie
Die Laseroptik ist beim Löten und Schweißen an einem Roboterarm montiert und wird von diesem bewegt. Dabei muss sie beträchtliche dynamische Belastungen aushalten, die auch auf die Motoren wirken und ungewollte Änderungen der Position auslösen können. "Der Faulhaber-Motor hat damit kein Problem, denn er erkennt die geregelte Position durch einen integrierten Hall-Sensor und regelt bei Bedarf nach, spätestens wenn der Laser an der Naht ansetzt", betont Luft. "Das gibt uns die Sicherheit, dass Fehlpositionen ausgeschlossen werden. Aufgrund der hohen Qualität der Antriebe können wir uns auf dauerhaft reproduzierbare Ergebnisse verlassen. Das ist entscheidend, denn unsere Kunden erwarten eine störungsfreie Funktion über einen Zeitraum von mindestens sieben Jahren." Die Entwickler bei Laserline hatten auch schon vor acht Jahren den passenden Motor für eine neue Zoom-Optik bei Faulhaber gefunden. Damals wurden für diese Geräteart allgemein Schrittmotoren verwendet, die allerdings mit der Massenbeschleunigung im Roboterarm ihre Probleme hatten, wie der Baumann berichtet: "Die dynamische Belastung kann bewirken, dass ein Schrittmotor einzelne Schritte auslässt. Um das zu verhindern, kann man zur Positionserfassung zusätzlich einen Encoder einsetzen und nachregeln. Das ist nicht nur aufwendig, sondern in dieser Kombination auch teuer." Mit dem Faulhaber-Antrieb habe man hingegen eine sehr günstige Lösung geschaffen, die sich seitdem bewährt hat. Auch das neue Multi-Spot-Modul verrichtet seine Arbeit in der Serienproduktion bereits einwandfrei und hat in Fachkreisen große Anerkennung gefunden: So hat die technische Lösung und deren Effizienz in der industriellen Anwendung die Jury des "Innovation Award Laser Technology" überzeugt. Sie verlieh dem Entwicklerteam in diesem Jahr den ersten Preis.
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Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in ROBOTIK UND PRODUKTION 4 2018 - 17.09.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.robotik-produktion.de
