Für die Wohlfühltemperatur von Batterien

E-Autos brauchen eine „Wohlfühltemperatur“ – zumindest ihre Batterien. Denn nur wenn sie richtig temperiert sind, bringen sie die optimale Leistung und erreichen die maximale Lebensdauer. Die Batterien müssen daher während des Betriebs gekühlt und bei niedriger Umgebungstemperatur erwärmt werden. Speziell bei Plug-in-Hybridfahrzeugen wird diese Aufgabe von Kühlsystemen übernommen, die in den Boden der Batterieträger integriert sind. Die Fertigung dieser Gehäuse ist äußerst diffizil. Ein großer Autobauer fertigte diese zunächst mit Kleben und Schrauben, was jedoch nicht den gewünschten Erfolg brachte. Deswegen sah man sich auf dem Markt nach einer neuen Lösung um. Die Anforderungen an die Batteriegehäuse sind dabei hoch: Die Ebenheit der Modulmontageflächen, die Dichtigkeit der Endlöcher und die Anforderungen der Drucktests müssen gewährleistet sein. Im roboterbasierten Rührreibschweißen fand der Autobauer im Bereich der Plug-in-Hybridfahrzeuge eine prozesssichere und ökonomische Methode, welche die Sicherheit und Funktionalität der Batteriegehäuse garantiere.

Die Rührreibschweißzelle Kuka Cell 4 FSW, die speziell für den wachsenden Markt der Elektromobilität entwickelt wurde, bot dem Autobauer aufgrund ihres modularen Konzepts neben wirtschaftlicher Effizienz auch Vielseitigkeit und Konfigurationsmöglichkeiten. Kuka hat den Kunden von der Anforderung über Tests bis zur Lieferung begleitet. „Wir hatten bereits Prototypen entwickelt und mit diesen verschiedene Tests durchlaufen. In Machbarkeitsstudien haben wir die Schweißeignung geprüft, Erreichbarkeitsanalysen und Prozesssimulationen durchgeführt. Als alle Tests mehr als zufriedenstellend ausfielen, haben wir die Anlage beim Kunden installiert“, erklärt Stefan Fröhlke, Senior Manager Process Solution FSW bei Kuka.

Um das Kühlsystem der Plug-in-Hybridfahrzeuge zu verschließen, wird mittels Rührreibschweißen das Bodenblech exakt entlang der Kühlkanäle mit dem Gussgehäuse verbunden. Für einen druckdichten Kreislauf, der dem Wechseldruck standhält, werden ein großer Anbindungsquerschnitt und eine gut vermischte und verdichtete Naht benötigt. „Rührreibschweißen hat sich als geeignete Fügetechnologie herausgestellt, da sich die Komponenten durch den Wärmeeintrag möglichst wenig verziehen“, erklärt Stefan Fröhlke. Dabei setzt Kuka auf Rührreibschweißen mit fester Schulter (Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW). Das heißt: Anders als beim klassischen Rührreibschweißen rotiert nur der Schweißstift in einer stationären Schulter. So entsteht während der Vorschubbewegung entlang der Schweißnaht eine ebene, glatte Nahtoberfläche. Der Aufwand für die Nachbearbeitung wird so reduziert.

„Dank geringem Energieverbrauch ist Rührreibschweißen umweltfreundlich, zudem sind keine Rauchgasabsaugung oder Blendschutzmaßnahmen erforderlich“, geht Stefan Fröhlke auf die Vorteile ein. Außerdem kann aufgrund der hohen Steifigkeit und Lebensdauer der Schwerlastroboter der KR Fortec Reihe eine erhöhte Bahngenauigkeit an großen Bauteilen gewährleistet werden. „Gleichzeitig kann der Kunde durch unser Prozesskontroll- und Dokumentationssystem (PCD) alle wesentlichen Prozessparameter nachverfolgen und Qualitätsdaten transparent erfassen lassen“, betont Portfolio-Manager Till Maier. Dadurch hat Kuka eine Basis für die Integration von Industrie 4.0 geschaffen, denn der einfache Datenaustausch mit dem Kuka Remote Service ermöglicht unter anderem schnelle Hilfe und verhindert längere Ausfallzeiten.

Die erste Zelle wurde nach einer Prototypen- und Testphase bereits 2016 erstmals in Deutschland in Produktion genommen und dient seither als Blaupause für weitere Zellen im Konzern. Im Rahmen der Erweiterung der Rührreibschweißkapazität hat der Autobauer die Prozessverantwortung neu strukturiert und an sein Tochterunternehmen nach Schweden abgegeben, das dafür speziell eine neue Halle gebaut hat. In diesem Zuge wurden zwei weitere Rührreibschweißzellen bei Kuka bestellt. Die erste Zelle zog im September 2020 nach Schweden um, im Mai 2021 erfolgte die Vorabnahme der zwei neuen Kuka Cell 4 FSW Zellen in Augsburg. Schon zwei Monate später, im Juli 2021, konnten die beiden Zellen beim Kunden in Betrieb genommen werden. Die Verbesserungen gegenüber der ersten Zelle beeindruckten alle Beteiligten: Durch die Automatisierung des komplexen Hydraulikspannsystems konnte die Gesamttaktzeit inklusive Bauteilhandling von vorher 20 auf nun 15 min gesenkt werden, gleichzeitig verbesserte sich durch die Optimierung des Spannsystems die Qualität des Produkts.

Die Anforderungen an die sicherheitskritischen Bauteile der Batteriegehäuse waren komplex: Die Naht musste einem sehr hohen Berstdruck standhalten können, was ein Festigkeitstest zu belegen hatte. Spezielle Spannvorrichtungen und Schweißwerkzeuge mussten zusammen mit den Schweißparametern neu entwickelt werden. Das war laut Kuka ausschließlich mit der FSW-Technologie umsetzbar, da unterschiedliche Aluminiumlegierungen (Knetlegierung an Aluminium-Druckguss) zu schweißen waren. Zudem war eine schnelle Lieferung innerhalb von sechs Monaten die Bedingung für die Auftragserteilung. Doch der Kunde äußerte größtmögliche Zufriedenheit: „Die Zusammenarbeit war sehr offen, vertrauensvoll und zielgerichtet“, betonte Projektleiter Adel Ben Hassine, Sales & Proposal Engineering bei Kuka, „und der Kunde war überrascht, wie schnell die Umsetzung erfolgte.“ Außerdem ließ sich ein Benefit in puncto Nachhatigkeit erreichen: „Die Werkzeuge wurden mit dem Kunden zusammen so weiterentwickelt, dass sich die Lebensdauer der Pins inzwischen verdoppelt hat.“