Applikation bei LEONI: Anschlussbolzen auf Aluminium-Busbar
Stromversorgung für Raubkatzen
(Kitzingen/Erlangen) Mit der ersten vollautomatisierten
Produktionszelle für Aluminium-Busbars unterstützt LEONI die ehrgeizigen Ziele
der Nobelmarke Jaguar, Gewicht und Kosten zu optimieren. Der englische
Hersteller verwendet bei der Stromversorgung seines neuesten Sportwagens F-Type
erstmals runde Busbar-Stränge aus Aluminium. Damit der Anschluss an die
Stromverbraucher im Motorraum sicher funktioniert, setzten die
Bordnetz-Experten auf das einzigartige Torsionale Ultraschallschweißen
SONIQTWIST® der TELSONIC AG.
„Die neue vollautomatische Produktionszelle in unserem
rumänischen Werk in Arad für die Herstellung von Aluminium-Busbars wird die
erste ihrer Art in der Herstellung von Bordnetzen sein“, schildert Kai Baumann,
bei Leoni mitverantwortlich für Advanced Production Technology &
Automation. Im April 2014 soll die Anlage betriebsbereit sein. Gefertigt werden
darin einbaufertige, runde Aluminiumstangen, die in Jaguar Fahrzeugen als so genannte
Busbar die Verbindung von der Batterie im Heck zu den Verbrauchern im Motorraum
herstellen werden. Nach Einlegen der geraden Stange als Ausgangswerkstück sind
alle Prozesse vollautomatisiert. Darunter auch das Verschweißen eines in eine
Kupfer-Nickel-Hülse eingepressten Stahlbolzens mit dem vorderen Ende der
Alu-Busbar als Kontakt zum Anlasser. Diesen Verbindungsprozess steuern die
Pioniere des Ultraschallschweißens, TELSONIC mit ihrem weltweit einzigartigen
torsionalen Verfahren SONIQTWIST® bei. Mit der Vollautomatisierung kann die jährliche
Kapazität der bisher teilautomatischen Anlage von 15.000 auf in der Spitze bis
zu 700.000 ausgeweitet werden.
Bauteilgewicht rund 50 Prozent geringer
Um Gewicht und Kosten zu sparen, wird die Energieverteilung
in Automobilen Zug um Zug auf Aluminiumleiter umgestellt. Das Einsparpotenzial
ist dabei umso größer, wenn die Batterie – meist aus Gründen einer ausgewogenen
Gewichtsverteilung – im Heck des Fahrzeugs untergebracht ist. Den Anfang
machten 2008 starre Flachleitungen mit größeren Querschnitten. Im seit Juni
2013 erhältlichen Jaguar F-Type sorgen weltweit erstmals Rundleitungen mit
relativ kleinen Querschnitten von 85 mm2 für die sichere Stromversorgung
von der Batterie in den Motorraum. Gegenüber Kupferkabeln hat die Aluminiumverbindung
zahlreiche Vorteile. So ist der massive Aluminiumleiter dreidimensional formbar
und wiegt nur etwa die Hälfte des herkömmlichen Bauteils aus Kupfer. Baumann konkretisiert:
„Die Alu-Stange bringt lediglich 40 bis 60 Prozent des Gewichts üblicher
Kupferkabel auf die Waage. Die absolute Gewichtseinsparung kann allein bei der
Batterieverbindung bis zu drei Kilogramm betragen.“ Realisiert wird die
Einsparung, weil Aluminium im Vergleich zu Kupfer eine deutlich geringere
spezifische Dichte aufweist.
In der Produktionszelle werden die mit einem halogenfreien
Polyethylenmantel isolierten Rohteile zweimal abisoliert, zweimal gepresst, sehr
sauber gereinigt, geschweißt und schließlich mit dem ersten Sechs-Achs-Roboter bei
LEONI frei im Raum dreidimensional gebogen. Alle 30 Sekunden aus der Zelle
ausgeschleust, ist eine einbaufertige Busbar versandfertig und wird in
spezielle Kisten verpackt. Die Handhabung der starren Busbar ist dabei wesentlich
einfacher als beim biegeschlaffen Kabel. Das kommt auch dem Autohersteller beim
Einbau zugute. Mit wenigen Handgriffen wird das Bauteil an beiden Enden über
ein ausgeklügeltes, aber einfach zu bedienendes Befestigungssystem montiert und
dazwischen mit speziellen Klammern am Chassis fixiert. „Jeder, der bisher
schwere, biegeschlaffe Kupferkabel verbauen musste, wird aufatmen“, versichert Diplomingenieur
Baumann.
Wasserkühlung für Dauerbeanspruchung
Damit der Kontakt im Motorraum sicher gelingt, wird am
vorderen Ende der Alu-Busbar ein etwa 30 mm langer Verbindungsbolzen mit Schraubgewinde
auf das Alu aufgeschweißt. Zuvor wird der Bolzen in eine Kupfer-Nickel-Hülse
eingepresst, die sich mit dem Aluminium besser verbinden lässt. Durch die
Vernickelung des Kontaktierungssockels aus Kupfer ist das Korrosionsrisiko zum
Aluminium hin zu vernachlässigen. Andererseits erhöht sich die Schweißfestigkeit
im Vergleich zu Kupfer-Aluminium erheblich. „Die Nickelschicht muss für den
Ultraschallschweißvorgang allerdings eine ganz bestimmte und konstante Qualität
aufweisen“, erklärt Axel Schneider eine besondere Herausforderung, zu deren
Lösung der Leiter der Business Unit der TELSONIC GmbH sich aber nicht weiter
äußern will.
Per pick and place wird das zugeführte Bauteil dann aus
einem Magazin entnommen und für den Schweißvorgang exakt auf dem Amboss unter
der Sonotrode positioniert. Für eine höhere Qualitätssicherheit durch hohe
Wiederholgenauigkeit bei großer Beanspruchung ist der Amboss wassergekühlt. Durch
das von TELSONIC entwickelte, bisher einzigartige Torsionale Ultraschallschweißverfahren
SONIQTWIST® werden dann in 0,9 Sekunden die beiden Bauteile prozesssicher
und wiederholgenau miteinander verschweißt.
Bekanntes Verfahren neu angeregt
Das Torsionale Ultraschallschweißen SONIQTWIST® beruht auf
dem seit langem bekannten linearen Metallschweißverfahren für Kupfer,
Aluminium, Nickel, Bronze, Messing und weitere Mischkombinationen. TELSONIC,
der Pionier des Ultraschall-schweißens, hat die konventionelle
Ultraschall-Schweisstechnik weiterentwickelt und als torsionale Technologie
SONIQTWIST® zur Serienreife gebracht. Die Sonotrode wird durch einen
Torsionalschwinger angeregt und tordiert infolgedessen in hoher Frequenz
wechselweise je 40 µm rechts und links herum. Mit dieser Technologie können
sehr große Kräfte und Leistungen in die Schweißung eingeleitet werden. Dadurch
lassen sich beispielsweise auch dickere Verbindungen mit großer Festigkeit
schweißen. „Weil wir mit dem weiterentwickelten Bewegungsmuster wesentlich mehr
Energie in die Schweißung einbringen können, werden die Schweißpunkte deutlich
höher verdichtet und damit fester“, verspricht Schneider. Die torsionale
Ultraschallschweißtechnik ist schnell, umweltfreundlich und lässt sich
problemlos in automatische Fertigungsabläufe integrieren. Ergänzend gibt es verschiedene
Optionen zur Qualitätsüberwachung.
Die Experten der Schweizer TELSONIC AG haben mit SONIQTWIST®
das Torsionale Ultraschallschweißen zu einem prozesssicheren Verfahren mit
wiederholgenauen Ergebnissen entwickelt. In der Fertigungszelle kommt eine
Portalanlage von TELSONIC zum Einsatz, die gegenüber einer klassischen Presse
in C-Bauweise mehr Kraft einbringen kann. Die gesamte vollautomatische
Produktionszelle ist vom Anlagenhersteller und Generalunternehmer, der IMA
Ingenieurbüro Anton Abele + Partner GmbH aus Augsburg, hochgradig variabel und
flexibel konzeptioniert. Mit einem Vorrat für zwei Stunden lässt sie sich mit
verschiedensten Modellen der Busbar-Alustangen füttern. In der Endausbaustufe
wird sogar ein One-piece-flow möglich sein. Dann werden die Werkstücke über
Querschnitt und Länge eindeutig identifiziert. Das Torsionale
Ultraschallschweißverfahren SONIQTWIST® von TELSONIC sorgt in jedem Fall für
feste Verbindungen und somit für eine sichere Stromversorgung der Raubkatzen.