docLaserschweißgerechtes Gestalten von Blech
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Laserschweißgerechtes Gestalten von Blech
TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG LASERSCHWEIßGERECHTES KONSTRUIEREN Jörg Heusel, Leiter Konstruktionsausbildung Ditzingen, 16.01.2014 LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel VERTRAULICH ■■ VERTRAULICH 16.01.2014 Wo werden die Kosten eines Teiles definiert? bereits bis zu 70% der Herstellkosten werden in der Konstruktion definiert und verantwortet Zu Beginn des Produktentstehungsprozesses können die Kosten am meisten beeinflusst werden. LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 2 Was macht das Gestalten von Blech aus Generell zwei zentrale Fragestellungen Gleiche Funktionalität bei deutlich gesenkten Kosten Mehr Funktionalität bei möglichst gleichen Kosten LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 3 Laserschweißgerechtes Gestalten von Blech - große Einschweißtiefe beim Tiefschweißen - kleine Wärmeeinflußzone - Hohe Schweißgeschwindigkeit - Geringer Verzug der Werkstücke - Gute Zugänglichkeit - Geringe Nacharbeiten, Verschleifen LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel Querschliff einer Laserstrahlschweißnaht 1,7 mm Vorteile des Laserschweißens über den gesamten Prozeß nutzen ■ VERTRAULICH 0,25 mm 16.01.2014 4 Wo finden wir das Laserschweißen? Bezogen auf die Grundanforderungen beim Gestalten Verputzen Qualität Nacharbeiten Gleiche Funktionalität bei deutlich gesenkten Kosten Mehr Funktionalität bei möglichst gleichen Kosten Leichtbau Zugänglichkeit Toleranzen Verzug LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 5 Die Prozesskette Blech Gestalten CAD / CAM Schneiden Stanzen Biegen Fügen - Aufgabenstellung - Ideenfindung - Fertigungs- und Gestaltungsmöglichkeiten - Konstruktion LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 6 Anforderungen an die Gestaltung eines Bauteiles Funktionalität Festigkeit Integrationsgrad Komplexität Passungen Maßtoleranz Genauigkeit Oberflächen Rauheit Form- und Lagetoleranzen Härte Material Gewicht Service Funktion Steifigkeit, Stabilität Kräfte Schnittstellen Kraftfluß Montage Wirtschaftlichkeit - Auswahl des günstigsten Fertigungsverfahrens, bzw. -prozesses - Reduzieren der Teileanzahl - Reduzieren und vereinfachen von Prozeßen LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 7 Beispiel für ein Gehäuse Anforderungen an die Baugruppe Dichtheit Sichtkanten sauber verschweißt und verschliffen Eingesetzte Elemente Punktgeschweißt Flanschbild und Montagebohrungen fix Korrosionsbeständig … LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 8 Lösungsansätze und Ideen Kosten pro Teil Wirtschaftlichkeit einzelner Fertigungsverfahren ist abhängig von den Stückzahlen Betrachten möglicher Extremsituationen 1 10 LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel 100 1.000 10.000 100.000 ■ VERTRAULICH Stückzahl 16.01.2014 9 Lösungsansätze und Ideen aus Blech Lösungen aus Blech erfordern Fügeverfahren - Anforderung dicht - z.B. Schweißen, Löten, kleben Ggf. Nacharbeiten wie - Richten - Verschleifen - Passivieren -… Optimieren und reduzieren der Schweißnahtlänge - Aber, aufgrund des Dichtschweißens bleiben immer viele Nähte übrig LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 10 Laserschweißen versus WIG-Schweißen … wirtschaftliche Laserschweißteile erkennen: LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 11 Auswahl der Schweißart Wärmeleitschweißen versus Tiefschweißen Verfahren Wärmeleitungsschweißen Tiefschweißen Eigenschaft Schweißtiefe: 3,6 mm Blechdicke: < 2mm Leistungseinkopplung 35 % 95 % Verfahrenswirkungsgrad klein groß Geschwindigkeit klein groß Streckenenergie groß klein Thermischer Verzug groß klein Nahtquerschnitt groß klein Nahtoberraupe glatt Schuppung LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 12 Beispiel zum Wärmeleitschweißen Reduzieren des Verputzaufwandes der Sichtnähte an der Abdeckung - Wärmeleitschweißen da Sichtkanten - dreiteilig zur Reduzierung der Biegetoleranzen - Gleichmäßiger Schweißradius an der Stirnfläche - Wärmeleitschweißen LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 13 Gestaltungsprinzipien der Abdeckung Lasergeschweißt - Dreiteiliger Aufbau - Reduzierung der Toleranzen - Sicheres möglichst spaltfreies spannen LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel Konventionell geschweißt - Möglichst einteilig - Biegetoleranze n sind nicht kritisch ■ VERTRAULICH 16.01.2014 14 Gestaltungsprinzipien Beispiel komplett geschlossene Schachtel aus Blech sechs ebene Bleche Toleranzen reduziert Hohe Genauigkeit LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel Nur ein Blechteil Letzte Biegung Symmetrie, Ein Biegeteil und von Hand Gleichteile Ein ebenes Blech verwenden Prozeße reduzieren Teileanzahl reduziert Biegetoleranzen ■ VERTRAULICH 16.01.2014 15 Toleranzen bei den Schweißarten Wärmeleitschweißen - 2 Richtungen müssen genau sein LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel Tiefenschweißen - 1 Richtung muß genau sein ■ VERTRAULICH 16.01.2014 16 Beispiel Tiefschweißen Schaltrahmen TruMatic 6000, Einbau im Laserniederhalter - Hohe Anforderungen an die Toleranz in der Bauteildiagonale mit ± 0,3mm - Geforderte Ebenheit von 0,3mm - Funktionalität auf engem Bauraum - Aufwändiges Frästeil ersetzt durch 2 verschweißte Bleche LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 17 Schweißreihenfolge Weitere Reduzierung des Verzugs Analog zu konventionellen Schweißverfahren LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 18 Beispiel Schaltrahmen Laserschweißen als Tiefenschweißung am Umfang der Bleche - Reduzieren des Verzugs - Spannstifte zur Positionierung werden verliersicher mitverschweißt - Kostenreduzierung um 60% zu einer gefrästen Lösung Lasergeschweißte Naht Spannstift LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 19 Lösungsansätze und Ideen aus Blech Laserschweißgerechte Gestaltung von Anfang an um Entwicklungszeit und Kosten zu sparen Gestaltungsziele widersprechen sich - Konventionell Schweißen: lange Kanten biegen, kurze Kanten schweißen, möglichst viel Biegen und wenig Einzelteile - Laserschweißen: Spalte Schließen, Toleranzen minimieren, Biegen an Toleranzunkritischen Stellen LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 20 Funktionalität erhöhen durch Laserschweißen Vorteile des Laserschweißens nutzen Beispiel Gewichtsreduzierung und Leichtbau LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel Querträger TruLaser ■ VERTRAULICH 16.01.2014 21 Warum Leichtbau in einer Werkzeugmaschine? Anforderungen an eine 2D-Lasermaschine 2D-Laserschneiden Hohe Dynamik der Strahlbewegung 200 m/min 20 m/s2 Aufbau der Maschine Maschinenrahmen Laser Querträger Schneidkopf } Leichtbau! LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 22 Entwicklungsschritte des Querträgers als Blech-Schweißkonstruktion Baujahr 1995 2007 Beschleunigung x-Achse m/s² 2/9 10 / 20 125 / 415 115 / 320 3 1,5 (Schneiden / Positionieren) Masse Querträger kg (Blechkonstruktion / Gesamt) Wandblechdicke LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel mm ■ VERTRAULICH 16.01.2014 23 Entwicklungsschritte des Querträgers als Blech-Schweißkonstruktion Baujahr 1995 2007 Beschleunigung x-Achse m/s² 2/9 10 / 20 125 / 415 115 / 320 3 1,5 MAG Laser (Schneiden / Positionieren) Masse Querträger kg (Blechkonstruktion / Gesamt) Wandblechdicke Schweißverfahren LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel mm ■ VERTRAULICH 16.01.2014 24 Neue Möglichkeiten für den Leichtbau durch Laserschweißen Verschweißen von Werkstücken mit stark unterschiedlichem Querschnitt LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel Schweißen von T-Stößen ohne Überlappende Flansche ■ VERTRAULICH 16.01.2014 25 Neue Möglichkeiten für den Leichtbau durch Laserschweißen Lasertiefschweißen: Auch nach dem Abfräsen der Bearbeitungszugabe ist noch genügend Anbindungsquerschnitt vorhanden. N S LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel S N N S S N N S ■ VERTRAULICH 16.01.2014 26 Vorteile durch Laserschweißen? Reduzierung des Gewichts durch Integration der Leisten und Grundplatte des Sekundärteiles in die Blechstruktur Reduzieren der Wandstärken durch Laserschweißen Reduzieren des Wärmeverzugs, bei 2000mm Länge wird der Träger auf eine Geradheit < 0,8mm geschweißt Das Glühen vor dem Zerspanen entfällt aufgrund der geringen eingebrachten Wärme Reduzierung der Bearbeitungszugabe zum Fräsen aufgrund der kleinen Geradheitstoleranz um 60% LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 27 Laserschweißen – Ein universelles Verfahren UP HF MAG EB WIG UP EB MAG MAG Plasma MIG Rollnahtschw. MIG MIG EB MAG Punktschw. WIG WIG Laserschweißen LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 28 Verteilung der Schweißnahtarten im Bauteil LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 29 Leichter Flaschenhalter für Getränkeabfüllanlagen Abfüllanlagen befüllen bis zu 72.000 Flaschen / Stunde Anforderungsprofil CrNi-Stahl, keine Spalte (Lebensmitteltechnologie) Hohe Stückzahlen Einsatz von Blech Gewicht –38% Kosten –20% (Biegeteil) früher LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel heute ■ VERTRAULICH 16.01.2014 30 Wie kommt die Idee zustande? Erarbeiten von Ideen im Rahmen einer konstruktiven Applikationsberatung 2003 Ziel: Gewichts- und Kostenreduzierung Ca. 26 Lösungsansätze erarbeitet und bewertet Umsetzung einer Kombination der 4 bestbewerteten Ideen durch den Kunden LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 31 Warum Blech und Laserschweißen? Laserschneiden - Genauigkeit der Teile - Distanzmaß zwischen Ober- und Unterteil des Halters - Einfache Optimierung der Außengeometrie Biegen - Reduzieren der Teileanzahl durch Zusammenfassen bisher verwendeter Halbzeuge in ein Biegeteil = wesentliche Gewichtsreduzierung um 38% Laserschweißen - Durchschweißen der Nähte - Im Lebensmittelbereich sind keine Spalte zulässig - Geringer Verzug des Bauteils beim Schweißen - Hohe Schweißgeschwindigkeit LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 32 Vorrichtungen und Spanntechnik Muß bereits in der Konzept- und Konstruktionsphase mitberücksichtigt werden LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 33 Mögliche CAM-Anwendung in der Entwicklung Anwendung der Prozesskette Blech bis zur Simulation CAD/CAM TruTops Cell Idee LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel 3D-Modell ■ VERTRAULICH 16.01.2014 34 Vorrichtung für die Ventilbaugruppe Vorrichtungskosten reduzieren Einzelteilgestaltung beeinflußt maßgeblich den Vorrichtungsaufwand LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 35 Zusammenfassung zur Teilegestaltung Welche Vorteile des Laserschweißen kann ich nutzen? - Geringer Verzug - Geringe Nacharbeit, … Welche Schweißart ist die richtige? - Wärmeleitschweißen oder Tiefenschweißen Welche Nahtarten können verwendet werden? - Stabilität, Kraftfluß - Zugänglichkeit beim Schweißen Wie können Toleranzen ausgeglichen werden? - Einzelteilgestaltung - Fertigungsverfahren, Laserschneiden, Stanzen, Biegen Welches Vorrichtungsprinzip ist möglich? - Spannbarkeit - Einfacher Aufbau aus Blech LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 36 Unser (Tru-) Service für Sie: LASERSCHWEIßGERECHTES, Jörg Heusel ■ VERTRAULICH 16.01.2014 37 Laserschweißgerechtes Konstruieren Jörg Heusel Leiter Konstruktionsausbildung TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG 71254 Ditzingen
