Fügen Der Laser ermöglicht neue Fügekonzepte im Karosseriebau

Autor / Redakteur: Rüdiger Brockmann / Rüdiger Kroh

Der Einsatz von Rohren und Profilen, einseitige Laserfügeprozesse und sogenannte Interlocked-Verbindungen für Träger, Schweller oder Wagentüren sparen im Karosseriebau Gewicht, Zeit, Kosten und Bauraum. Sie vereinfachen die Konstruktion, ersetzen Flanschverbindungen durch Standard-I-Stöße und ermöglichen Fügeprozesse ohne spezielle Spannvorrichtung.

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Wie viel Material, Gewicht und Kraftstoff ließe sich sparen, wenn man die Flansche und Überlappstöße an Trägern, Schwellern, Tunneln und anderen verschweißten Halbschalenkonstruktionen einer Fahrzeugkarosserie durch neue Konstruktionsansätze eliminieren würde? Zu einem Zeitpunkt, an dem das Gewicht des Klebstoffs, der die Türbleche mit dem Rahmen verbindet, in die Gesamtrechnung einbezogen wird, lohnt sich diese Frage.

Verzicht auf Flanschverbindungen kann zu Gewichtseinsparungen im Kilogrammbereich führen

Je nach Komponente kann der Verzicht auf Flanschverbindungen zu Gewichtseinsparungen im Kilogrammbereich führen und den erforderlichen Bauraum pro Teil um die Breite des bisherigen Kragens reduzieren – oft beachtliche 8 bis 16 mm.

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Künftige Einsparungen und Produktivitätsgewinne werden daher auf Dauer Resultate eines Strategiewechsels in der Konstruktion sein: hin zu Konstruktionen, die die Vorteile von einseitigen, automatisierbaren Schweißverfahren wie dem Laser-Remoteschweißen nutzen. Denn dies eröffnet neue Wege hin zu profilintensiven Bauweisen und funktionsintegrierten Bauteilen, die beispielsweise die Spanntechnik zum Fügen erheblich vereinfachen.

Die Bearbeitungsgeschwindigkeit stieg um 50 bis 80%

Was der Schwenk vom Widerstandspunkt- zum Laserstrahlschweißen an der richtigen Stelle bedeuten kann, hat vor drei Jahren unter anderen Daimler mit der Einführung des Robscan-Laserschweißverfahrens gezeigt. Im Mai 2010 wurden auf dem International Laser Technology Congress (AKL) in Aachen die Vorteile des Verfahrens vorgestellt.

Die Bearbeitungsgeschwindigkeit stieg um 50 bis 80%. Zugleich nutzte Daimler die Möglichkeit, die Nahtgeometrie frei zu gestalten, und ersetzte die Punkte durch Klammer- und S-Nähte. Durch den Einsatz der Lasertechnik konnten Flansche verkürzt werden, was Gewicht und Werkstoffkosten spart.

Erst recht entfaltet das Laserstrahlschweißen seinen Charme, wenn die konstruktiven Freiheiten ins Spiel kommen, die es bietet. Weil es weder Überlappungen noch Flansche noch einen beidseitigen Zugang erfordert, können mit ihm alle Möglichkeiten heutiger Blech-, Rohr- und Profilbearbeitung in den Karosseriebau einziehen. Die erforderliche durchgängige Prozesskette mit Rohrbearbeitungsmaschinen, die Rohre und Profile mit der nötigen Genauigkeit schneiden und biegen, steht bereits zur Verfügung.

Mit dem Laser Komponenten komplett aus einem Profil fertigen

Ein einfaches Beispiel: Wenn etwa bei einer Komponente zwei Profile in einem vorgegebenen Winkel aufeinandertreffen, kann diese Komponente komplett aus einem Profil gefertigt werden. Der Schneidlaser der Rohrbearbeitungsmaschine setzt dafür an der vorgesehenen Stelle eine Kerbe in V-Form. Die nächste Station in der Fertigungslinie biegt das Profil dann in diesem „Scharnier“ zum Winkelstück.

Anschließend schweißt ein Laser die beiden Schenkel mit einer nachbearbeitungsfreien Naht auf Stoß. Der Teilebedarf reduziert sich so um 50% und es entsteht ein genauer, definierbarer, flanschloser Knick, der sich mit einfacher Spannvorrichtung präzise fügen lässt.

Dort, wo in einem Knoten zwei Profilkomponenten aufeinandertreffen, bieten sich sogenannte Interlock-Konstruktionen an. Dabei wird die Stoßstelle so geformt, dass eine mechanische Verbindung entsteht – ein Bajonettverschluss zum Beispiel oder eine Steckverbindung. Diese Positionierhilfen ersetzen die Spannvorrichtung: Jedes Bauteil bestimmt seine Position selbst – genau und fehlerfrei.

Interlocked-Verbindungen dienen als genaue Spannvorrichtung

Das Beispiel der Winkelkomponente zeigt Möglichkeiten, Bearbeitungszeiten und -kosten deutlich zu senken. Bereits die Reduktion der Teilezahl ist vielversprechend – ein mehrfach gebogenes Profil ergibt eine dreidimensionale Teilstruktur. Interlocked-Verbindungen schließen Fehler aus und dienen als genaue Spannvorrichtungen für Knoten. Die Prozesskette in der Blech- und Rohrbearbeitung deckt alle nötigen Schneid- und Umformprozesse ab. Sie arbeitet mit aller notwendigen Präzision, ist längst leistungsfähig genug für die hohen Volumenansprüche in der Serie und bietet mit ihren sehr weit reichenden Automatisierungsmöglichkeiten eine hohe Produktivität.

Beim K-Knoten definieren Anschläge die genaue Schweißposition

Ein weiteres Konzept für eine vielseitig einsetzbare, selbstpositionierende Verbindung ist der K-Knoten. Der patentierte K-Knoten lässt sich überall dort einsetzen, wo sonst Bleche oder Profile mit Flanschen oder Überlappstößen per Widerstandspunktschweißen gefügt werden.

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Bei der Vorbereitung der Bauteile prägt die Blechfertigung entlang der Stoßkontur aufgestellte Anschläge in eines der beiden zu fügenden Teile. Als Stoßkante definieren diese die genaue Position des aufzuschweißenden Teils. Gleichzeitig dienen sie als Ankerpunkte für kurze, lasergeschweißte Nähte.

Das Ergebnis ist immer ein einfacher I-Stoß oder eine sehr kurze Kehlnaht, bei der der Laserstrahl nur die einfache Blechdicke schweißt. Beschichtete Bleche können dadurch ohne Probleme geschweißt werden. Das gilt selbst dann, wenn sich die beiden zu fügenden Teile weiterhin überlappen oder das aufgesetzte Teil einen schmalen Flanschrand behalten muss.

Neue Verfahren eröffnen vielfältige konstruktive Möglichkeiten

K-Knoten, Profilkonstruktionen und Interlocked-Verbindungen sind nur Beispiele für die vielfältigen konstruktiven Möglichkeiten, die neue Verfahren wie die Remotebearbeitung mit Laserlicht und die geschlossene Prozesskette in der Profil- und Blechbearbeitung bieten.

Selbsttragende Stahlkarosserien und Widerstandspunktschweißen prägen heute den Karosseriebau. Als sie sich herausbildeten, waren sie angesichts der bestehenden technischen und konstruktiven Möglichkeiten die ideale Lösung für die Anforderungen im Automobilbau – und werden es in vielen Fällen noch lange bleiben.

Dennoch, heute stehen wir wieder an einem ähnlichen Punkt: Die aktuellen Herausforderungen für die Automobilindustrie sind groß. Die Fortschritte bei Werkstoffen und den Verfahren, um sie zu bearbeiten, sind es jedoch ebenfalls – und in vielen Fällen bieten sie neue Antworten.

Dr. Rüdiger Brockmann ist Leiter Branchenmanagement Automobil bei der Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH in 71254 Ditzingen.

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