IP65-konform So schweißt man Aluminiumgehäuse für Wechselrichter absolut dicht

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Fronius Solar Energy aus Österreich gilt als Solarstrompionier. Dort fertigt man etwa Outdoor-Wechselrichter des Modells Tauro. Damit diese einsatzfähig sind, nutzt man Schweiß-Know-how und Roboter.

Der neueste Outdoor-Wechselrichter von Fronius Solar Energy heißt also Tauro. Mit einer modernen Handling-to-Welding-Roboterschweißanlage werden die doppelwandigen, später aktiv gekühlten, Aluminiumgehäuse derselben rundum dicht verschweißt, um sie für den kommerziellen Einsatz im Freien fit zu machen. Wie es heißt, halten sie danach jedem Wetter stand. Egal ob Regen, Hitze oder direkte Sonnenbestrahlung: Der Wechselrichter erledige seinen Job zu 100 Prozent. Von zukunftsorientierten Solarexperten entworfen, erfüllt er außerdem die internationale Schutzart IP65. Hightech-Geräte dieser Art sind außerdem gegen Berührung, Strahlwasser aus beliebigem Winkel und Staubbelastung geschützt.

Vor dem Schweißprozess wird realitätsnah simuliert

Die Produktion des Wechselrichters erfolgt genauer gesagt am österreichischen Standort Sattledt. Geschweißt werden Gehäuse und Flügeltüren in einer speziell dafür entwickelten Handling-to-Welding-Roboterschweißzelle. Sämtliche Roboterbewegungen und Schweißabfolgen programmieren und simulieren die Spezialisten mit Fronius-Pathfinder offline, also getrennt von der Anlage, mit einem digitalen Zwilling. So erkennt man eventuelle Störkonturen bereits vor der realen Fertigung. Das Gleiche gelte für Achsenbegrenzung und Brenneranstellungen. Auch dabei können die Solarspezialisten rechtzeitig vor der ersten Schweißprobe bei Bedarf eingreifen. Sobald die Schweißabfolgen programmiert sind, übergibt Pathfinder die Daten dem Postprozessor, der sie in die Sprache der Fanuc-Roboter übersetzt. So spart das Unternehmen Zeit und Kosten. Offline-Programmieren verkürzt nämlich das Teachen der Roboter in der Schweißzelle um viele Stunden.

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Der Schweiß-Workflow kann präzise geplant werden

Vor Beginn der Produktion werden die Tauro-Verkaufsaufträge in einem Enterprise-Resource-Planning-System angelegt, führen die Spezialisten weiter aus. Das schafft die Basis für den sogenannten Material-Ressourcen-Planungslauf (MRP-Lauf). Dabei werden alle Produktionsaufträge für Gehäuse und Flügeltüren erzeugt. Als Nächstes wird jedem Auftrag ein Produktionsdatum zugewiesen. Die darauffolgende Feinplanung übernimmt das Manufacturing Execution System (MES). Jeder Auftrag kann so auf die Minute genau geplant werden, um einem freien Auftragskorridor zugeordnet und anschließend gelistet zu werden, heißt es.

Vorheften, Rüsten und Schweißen laufen sauber ab

Das Schweißen der doppelwandigen Wechselrichtergehäuse ist wegen der unterschiedlichen Blechstärken von Beginn an eine besondere Herausforderung, betonen die Österreicher. Bevor deshalb die einzelnen Blechelemente in der Roboterschweißzelle normgerecht gefügt werden, werden sie zunächst händisch vorgeheftet, was per präzisem MAG-Schweißen erfolgt. Sind diese Heftarbeiten beendet, und am Terminal der Anlage gebucht, gibt die zentrale Systemsteuerung den nächsten Arbeitsschritt – das Roboterschweißen – frei.

Jetzt wird das Gehäuse auf den Rüstwagen gelegt, gespannt und in die Schleuse gefahren. Ist dieser Vorgang quittiert, startet die Anlage den nächsten Job: Das für das Positionieren und Schweißen zuständige Roboterprogramm wird mithilfe eines RFID-Chips an der Spannvorrichtung ausgewählt.

Fronius Solar Engery betont, dass egal, welches Bauteil in die Schleuse gelegt wird, der RFID-Chip genau weiß, welches Schweißprogramm zu wählen ist. Zum Beispiel kann Schleuse eins mit einem Wechselrichtergehäuse bestückt werden, während über die Bauteilzuführung in Schleuse zwei eine Flügeltür geschweißt wird. Der Einsatz der RFID-Technik hilft also dabei, Bauteile völlig unabhängig von Form, Größe und Stückzahl zu schweißen. Dabei sei es egal, ob Losgröße 1 oder Serienstückzahlen, denn die Roboterschweißzelle könne beides.

Jede Schweißnaht kann zuverlässig nachverfolgt werden

Sobald der Schweißvorgang gestartet wurde, greift der Fanuc-Handlingroboter das Bauteil und führt es in die Schweißzelle. Für ihn sei das Wechselrichtergehäuse beinahe ein Leichtgewicht. Bei einer Reichweite von 2,6 Metern beträgt die Traglast nämlich 210 Kilogramm, aber das Aluminiumgehäuse samt Spannvorrichtung bringt kaum über 140 Kilogramm auf die Waage. Ist das Tauro-Gehäuse in der Schweißzelle eingetroffen, wird ein Data-Matrix-Code (DMC) mit Tintenstrahltechnik auf den Gehäuseboden gedruckt, wie es heißt. Der Code enthält die Seriennummern der einzelnen Tauro-Gehäuse. Diese werden dann mit den Schweißdaten verknüpft, die von der Datenmanagementsoftware Weldcube während des Schweißvorganges aufgezeichnet werden. Jede einzelne Schweißnaht kann danach zu 100 Prozent nachvollzogen werden, betont Fronius Solar Energy.

Ist der Code aufgebracht, beginnt das Schweißen. Während ein Fanuc-Schweißroboter des Typs ARC Mate 100iD seinen Job erledigt und 5,5 Meter Aluminiumblech mit insgesamt 96 Schweißnähten fügt, bringt der Fanuc-Handlingroboter das Gehäuse in exakte Position. Einige der Schweißnähte erfordern nämlich perfekte Simultanbewegungen beider Roboter, was die hohe Kunst des Roboterschweißens bedeutet, wie die Experten wissen lassen. Was den Schweißprozess an sich betrifft, so kommt vorwiegend das Pulse Multi Control Ripple Drive zum Einsatz. PMC Ripple Drive erlaube nämlich eine präzise Einstellung des Wärmeeintrags und eigne sich deshalb hervorragend für das Fügen von unterschiedlich starken Blechen.

Auch die Schweißnahtoptik kann sich sehen lassen

Genauer betrachtet ist PMC Ripple Drive eine spezielle Ausprägung des PMC-Prozesses. Charakteristisch ist dabei ein zyklischer Prozesswechsel zwischen PMC und einer reversierenden Drahtbewegung mithilfe einer sogenannten Push-Pull-Antriebseinheit. Weil das Ganze für das automatisierte Schweißen ausgelegt ist, schweißt man mit PMC deutlich schneller als per WIG. Dabei liefere der Prozess die gleichen schön geschuppten, nahezu spritzerfreien Schweißnähte.

Als Schweißzusatz kommt ein 1,2 Millimeter dicker Aluminium-Silizium-Draht zum Einsatz, der unter Argon verschweißt wird. Schweißprozesse, Draht und Gas sind dabei in den Systeminformationen zum Schweißauftrag enthalten. Ist der etwa 17,5 Minuten dauernde Schweißzyklus beendet, legt der Handlingroboter das Bauteil in der Schleuse ab und die Schweißzelle sendet ein „Fertig“-Signal an das MES-System. Noch während die eine Schleuse entleert wird, kann in der anderen auch bereits der nächste Job starten.

Das MES verwaltet außer dem Auftragsmanagement auch Daten wie Maschinenzustände, Taktzeiten, Störungen sowie die Werte der Unterdruckprüfung, die am Ende der gesamten Schweißarbeiten erfolgt, wie das Unternehmen erklärt. Auch Wartungsfenster könnten mithilfe des MES festgelegt werden. Wenn sich zum Beispiel herausstelle, dass durchschnittlich alle 100 Betriebsstunden eine bestimmte Störung auftrete, ließe sich ein gezieltes Wartungsintervall von 99 Stunden festlegen. Systematisch im Voraus geplante Wartungsarbeiten verlängern nicht zuletzt die Lebensdauer von Schweißgeräten und vermeiden teure Stillstandszeiten.

Eine umfangreiche Naht- und Dichtheitsprüfung muss sein

Die wenigen Gehäusedetails, die der Roboter dennoch nicht optimal erreicht, werden dann händisch per WIG nachgeschweißt, weil der Prozess für Aluminium gut geeignet ist. Am Ende der Schweißarbeiten werden eventuelle Nahtüberhöhungen abgeschliffen und die Schweißnähte mit einer in eventuell bestehende Poren oder Risse eindringende Prüffarbe bestrichen, um sie so auf Schweißfehler zu untersuchen.

Nach der Schweißnahtprüfung wandert ein fehlerfreies Gehäuse in die Dichtheitsprüfanlage, die Fronius extra für den Tauro entwickelt hat. Diese erzeugt im Inneren des Wechselrichtergehäuses einen Unterdruck von rund 60 Millibar, der über einen genau definierten Zeitraum zu halten ist. Fällt der Druck während dieser Zeit um weniger als 1,8 Millibar, ist das Gehäuse als dicht zu deklarieren und erfüllt damit die Schutzart IP65. Nach erfolgreich absolvierter Prüfung wird das Ergebnis seriennummerbezogen in Weldcube gespeichert. Das Outdoor-Wechselrichtergehäuse ist jetzt bereit für die Pulverbeschichtung. Am Ende der Fertigungskette, also nach der Montage, stünden Wechselrichter für Großanlagen parat, die allen Witterungsverhältnissen trotzten.

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