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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)

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Kniffe und Tricks beim CO₂-Laserschweißen

Für den Laserschweißprozess waren dünne, bis zu 4,5 Meter lange Streifen (Butt Straps) aus thermoplastischem CFK lagenweise und bündig neben- als auch übereinander abzulegen. Und zwar auf die exakt aufeinanderstoßenden, zur Flugzeugaußenseite hin mit einer Stufenschäftung versehenen Längsränder der Schalen. Alle Möglichkeiten für die Zuführung, Positionierung und Kantenversiegelung der Straps erarbeitete die Fraunhofer-Gesellschaft im LPA-Projekt „Butt strap integration technology development with tooling design, validation, implementation in major component assembly and operation“ (BUSTI). Im Ergebnis wurden die von Fraunhofer gefertigten Straps mit einem in die automatisierte Prozessumgebung integrierten Strap-Handling-Werkzeug durch eine Abrollbewegung exakt auf der Naht positioniert. Der über Spiegel gelenkte, oszillierende Laserstrahl des unmittelbar folgenden Schweißkopfs des CO₂-Lasers konnte so kontinuierlich die sich ausbildenden Kontaktlinien von Strap zur Schalenoberfläche aufschmelzen. Eine Druckeinheit am Laserschweiß-Endeffektor presste dabei den Strap mit Fügekräften bis zu einer Tonne gegen die oberen und unteren Fügestelle der Rumpfschalen, wobei die Schweißnaht auch gleich konsolidiert wurde (Bild 3).

Damit die hohen Andruckkräfte beim Schweißen die Bauteile nicht beschädigen, lief innerhalb der entstehenden Rumpfsektion synchron eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme und -ableitung mit. Der Laserschweißprozess zeichne sich durch die Implementierung eines Online-Monitor- und Kontrollsystems aus, welches einen unmittelbaren digitalen Datenaustausch für die Prozessoptimierung und Qualitätssicherung per Digitalem Zwilling erlaube.

Spaltfüllung mit smartem Extruder-Steuerungs-Konzept

Weil die Straps und die stufenförmig ausgebildete Fügezonen der Schalen wegen unvermeidlicher Herstellungstoleranzen und für die Positionierprozesse benötigter Freiheitsgrade nicht lückenlos aneinander anschließen konnten, klafften zwischen ihnen kleine, unregelmäßig breite Spalte (Gaps). Diese würden aber die Qualität der Schweißverbindungen beeinträchtigen, weshalb man sie später mit Thermoplastfüller schließen musste. Dabei sollte ein Materialüberschuss aber unbedingt zu vermieden werden. Ein kompakter Extruder, der – wie der Laserschweiß-Endeffektor – entlang der zuvor erzeugten Verbindungsnähte geführt wurde, förderte die Kunststoffschmelze über eine Schnecke zum Spalt. Dort sorgte eine spezielle Düse dafür, dass das Material den Spalt füllte, wo die Schmelze dann abkühlte. Das für die genaue Füllmenge ausschlaggebende lokale Spaltvolumen wurde unmittelbar vorher von einem in denselben Gap-Filling-Endeffektor integrierten, auf den offenen Spalt gerichteten 2D-Sensor gemessen und an das Extrudersystem übertragen (Bild 4). Damit ließ sich die lokal benötigte Austragsleistung während des laufenden Prozesses dynamisch berechnen, sodass unregelmäßige Spalte von 3 bis 20 Millimeter Breite an jeder Stelle mit der exakt erforderlichen geschmolzenen Thermoplastmenge gefüllt werden konnten.

Da war doch auch noch was mit Ultraschallschweißen

Um aus den Forschungsarbeiten möglichst viele für einen späteren Produktionseinsatz wichtige Erkenntnisse zu gewinnen, wurde als Fügemethode für die rechte Längsnaht das automatisierte Ultraschallschweißen ausgewählt. Im Vergleich zum Laserschweißen könnten damit nur die dünnwandigeren Rumpfnahtabschnitte außerhalb der Türumgebungen verbunden werden. Allerdings sei der Aufwand hinsichtlich Synchronisation parallellaufender Prozesse, Investitionen und Arbeitssicherheit geringer. Aus der Zusammenarbeit der für die Forschungsplattform zuständigen Fraunhofer-Gesellschaft mit dem LPA-Projekt „Welding Equipment for optimized, fast and accurate LongituDinal barrEl joint closuRe“ (WELDER) der Partner CT Engineering Group, Aimen, Aitiip und Dukane ist so ein schneller und verlässlicher, automatisierter Ultrasschallschweißprozess für die Längsnaht hervorgegangen (Bild 5). Wie auch der oben vorgestellte Laserschweißprozess zeichnet sich das Ultraschallschweißen durch die Implementierung eines Online-Monitor- und Kontroll-Systems aus, welches auch dabei einen unmittelbaren digitalen Datenaustausch für die Prozessoptimierung und Qualitätssicherung mit einem Digitalen Zwilling ermöglicht.

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