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Aluminium ist im Leichtbau das Mass aller Dinge – ob in der Elektromobilität, der Luft- und Raumfahrt oder der Elektroindustrie.
Doch beim Fügen stösst klassisches Schmelzschweissen schnell an Grenzen: Verzug, Porosität, Heissrisse und aufwendige Nahtvorbereitung. Eine elegante Antwort darauf ist das Friction Stir Welding (FSW), zu Deutsch Rührreibschweissen. In Kombination mit einem CNC-Präzisionsroboter wird daraus eine flexible, wirtschaftliche Lösung – auch für Bauteile mit komplexer Geometrie.
FSW ist ein Festkörper-Fügeverfahren: Die Werkstücke werden nicht aufgeschmolzen, sondern durch Reibungswärme nur plastisch erweicht und unter hohem Druck zusammengeführt. Erfunden wurde das Verfahren 1991 am britischen The Welding Institute (TWI).
Ein rotierendes, nicht abschmelzendes Werkzeug aus Schulter und profiliertem Pin wird in die Stossfuge zweier Werkstücke eingetaucht, bis die Schulter aufliegt. Reibung und plastische Deformation erwärmen das Material auf rund 70–90 % seiner Schmelztemperatur. Das plastifizierte Material wird vom Pin verrührt und von der Schulter «verschmiedet» – während sich das Werkzeug entlang der Stossfuge bewegt, entsteht eine homogene, feinkörnige Naht.
Vom Forschungsverfahren ist FSW längst zur industriellen Schlüsseltechnologie geworden – mit drei besonders dynamischen Anwendungsfeldern:
FSW wird traditionell auf grossen, schweren Portalmaschinen ausgeführt – ideal für lange, gerade Nähte und dicke Bleche. Für viele heutige Bauteile in E-Mobility und Elektroindustrie ist das aber überdimensioniert. Ein Industrieroboter bringt entscheidende Vorteile:
Die zentrale Herausforderung liegt allerdings in der Steifigkeit: Beim FSW wirken auf den Roboter Axialkräfte von typischerweise 2–8 kN, dazu kommen Quer- und Drehmomente, die ihn unter Last verformen. Ohne Kompensation leidet die Bahngenauigkeit – und damit die Schweissqualität.
Genau hier setzt der CNC-Präzisionsroboter mit Sekundärencodern auf der Getriebeabtriebsseite und einer CNC-Steuerung aus der Werkzeugmaschinenwelt (SINUMERIK ONE) an. Die Sekundärencoder messen die tatsächliche Achsposition unter Last; die CNC sorgt für konstanten Vorschub und prozesssichere Bahnführung. Dass dieses Konzept funktioniert, haben wir im eigenen Haus gezeigt: An 4 mm dicken EN AW-6060-Blechen entstanden im Proof-of-Concept Schweissnähte mit hervorragender Qualität – ohne erkennbare Defekte, mit sauberer Nahtoberfläche und stabiler Reproduzierbarkeit.
Für die «leichter schweissbaren» Aluminiumlegierungen wie EN AW-6060/6061/6082 in Blechdicken bis ca. 4 mm – ein Bereich, der den überwiegenden Teil der Anwendungen in Elektromobilität (Kühlplatten, Busbars), Elektroindustrie und Leichtbau abdeckt. Entscheidend ist nicht nur die Traglast, sondern die Steifigkeit unter Prozesskräften: Sekundärencoder auf jeder Achse erfassen die elastische Verformung des Roboters in Echtzeit und ermöglichen eine deutlich präzisere Schweissnahtbahn als bei Standardrobotern.
Eine CNC-Steuerung wie die SINUMERIK ONE ist auf konstanten Vorschub, vorausschauende Bahnplanung (Look-Ahead) und Mehrachs-Interpolation ausgelegt – Eigenschaften, die für eine gleichmässige Wärmeeinbringung beim FSW essenziell sind. Bestehende Bearbeitungszyklen, Adaptive Control und Compile Cycles können für FSW-Aufgaben (Eintauchen, Verweilen, Schweissfahrt, Kraftregelung) genutzt und erweitert werden. Der Roboter wird damit prozesstechnisch wie eine Werkzeugmaschine bedient – inklusive direkter CAD/CAM-Anbindung und durchgängiger Prozessdaten-Erfassung.
Jede Material-Werkzeug-Kombination verhält sich individuell. Drehzahl, Vorschub, Anpresskraft, Tilt-Winkel und Pin-Geometrie müssen aufeinander abgestimmt werden – heute meist iterativ und empirisch. Für eine reproduzierbar hohe Schweissqualität sind deshalb Prozessregelung und Prozessmonitoring unverzichtbar: Kraftregelung statt reiner Positionsregelung, Drehmomentüberwachung, Temperaturmessung und vollständige Datenerfassung gemäss ISO 25239. Mit der SINUMERIK ONE lassen sich diese Funktionen direkt in der Steuerungsumgebung realisieren – die Grundlage für eine industrielle, qualitätsgesicherte FSW-Fertigung mit dem Roboter.
