Materialeinsparungen von mehr als 20 % sind nur einer der zahlreichen Vorteile der Steppnaht im Vergleich zu einer herkömmlichen Raupenapplikation. Erfahren Sie, wie Sie die Produktivität, Sicherheit und Qualität Ihres hybriden Fügeprozesses auf ein neues Level bringen können – und gleichzeitig Ihre Gesamtbetriebskosten senken können.
In Zeiten von Leichtbau- und Multi-Material-Design ist das hybride Fügen einer der wichtigsten Trends im automobilen Rohbau. Beim hybriden Fügen werden hochfeste Klebstoffe für die strukturelle Verbindung mit anderen Fügetechnologien wie Punktschweißen, Fließlochschrauben oder Stanznieten kombiniert. Dies bietet wesentliche Vorteile:
- Höhere Strukturfestigkeit und Steifigkeit verbessern die Fahreigenschaften und die Crash-Sicherheit
- Verbesserte Korrosionsbeständigkeit der Verbindung
- Durch hochfeste Klebstoffe kann die Anzahl der Schweißpunkte reduziert werden
Squeeze-out of adhesive at weld spots
Herausforderungen beim hybriden Fügen
Die Kombination von Kleben mit anderen Verbindungsverfahren bringt viele Herausforderungen mit sich. An Schweiß- oder Nietstellen kann Klebematerial ausgepresst werden. Dies führt zu Materialabfall und Nacharbeiten. Beim Punktschweißen wird der Klebstoff durch die Wärme des Schweißprozesses zerstört, was zu einer Emission toxischer Dämpfe führen kann. Darüber hinaus ist ein höherer Schweißstrom erforderlich, und das System benötigt mehr Zeit zum Durchschweißen. Häufige Fehlermuster:
Blow-out: destroyed adhesive at weld spots
- Ausquetschung: An Schweiß- oder Nietpunkten wird das Klebematerial herausgepresst. Dies kontaminiert das KTL-Bad und führt zu Nacharbeit sowie Materialverschwendung.
- Auskochen: Der Klebstoff wird durch das Erwärmen beim Punktschweißen zerstört. Dies kann zu Korrosion und geschwächten Verbindungen führen.
Problemlöser: Steppnahtapplikation
Mit einer Steppnahtapplikation kann am Verbrennungsbereich des Schweißpunktes gezielt Material ausgespart werden.
Atlas Copco bietet ein Applikationsmuster, das speziell für das hybride Fügen entwickelt wurde, um diese Herausforderungen zu meistern. Die sogenannte Steppnaht ist eine unterbrochene Applikation mit definierten Materiallücken an den Schweißbereichen und bietet zahlreiche Vorteile:
- Die Steppnaht spart Material und damit Kosten.
- Eine präzise Applikation vermeidet Nacharbeit durch herausgepressten Klebstoff an den Punktfügestellen.
- Durch die Aussparung entstehen insbesondere beim Punktschweißen keine giftigen Dämpfe. Luftabsaugsysteme sind nicht mehr erforderlich.
- Weniger Klebstoff bedeutet weniger Gewicht und eine Verringerung der CO2-Emissionen im späteren Fahrbetrieb.
Bis zu 22 % Materialeinsparung möglich durch Steppnahtlösung
Wie groß das Einsparpotenzial an Klebstoff ist, zeigt eine Beispielrechnung für die Applikation an den Türeinstiegen einer Seitenwand. Im Beispiel sind 54 Schweißpunkte am vorderen Türeinstieg und 44 Schweißpunkte am hinteren Türeinstieg vorgesehen – insgesamt also 98 Schweißpunkte. Appliziert wird eine Kleberaupe mit einem Durchmesser von 3 mm. Mit einer klassischen durchgehenden Raupenapplikation ergibt sich ein Materialvolumen von 38 ccm. Bei der Applikation einer Steppnaht mit einer Lücke von 12 mm lassen sich pro Schweißpunkt 0,0848 ccm Material einsparen. Bei 98 Schweißpunkten pro Seitenwand sind das 8,3 ccm – eine Materialeinsparung von rund 22 %.
Material savings with stitch bead
Einsparpotenzial – Steppnahtapplikation
| Berechnungsbeispiel | |
|---|---|
| Nahtdurchmesser | 3 mm |
| Solllücke | 12 mm |
| Materialeinsparung pro Punkt: | 0,15 cm * 0,15 cm * 3,14 * 1,2 cm = 0,0848 ccm |
| Materialeinsparung pro Seitenwand (98 Schweißpunkte): | 98 * 0,0848 ccm = 8,3 ccm |
| Materialeinsparung pro Fahrzeug: | 2 * 8,3 ccm = 16,6 ccm |
| Materialeinsparung pro Tag (1000 Fahrzeugkarosserien): | 16,6 ccm * 1,355 g/ccm = 22,5 kg |
| Kosteneinsparung pro Tag: | 22,5 kg * 14 €/kg = 315 € (nur Seitenwände) |
| Kosteneinsparung pro Jahr: | 315 € * 225 = ca. 70,875 € (nur Seitenwände) |
Herausforderungen bei der Steppnahtapplikation: Robotergeschwindigkeit und Flexibilität
Die Vorteile der Steppnaht beim hybriden Fügen im Vergleich zu herkömmlichen durchgehenden Raupenapplikationen sind außergewöhnlich. Dennoch gibt es im Applikationsprozess erhebliche Herausforderungen hinsichtlich der Robotergeschwindigkeit und der Applikationsflexibilität. Produktionslinien mit hohen Stückzahlen erfordern Robotergeschwindigkeiten von bis zu 500 mm/s und mehr. Gleichzeitig werden die Fahrzeuggeometrien immer komplexer. Raupen- und Lückengröße müssen frei definierbar sein – und präzise und prozesssicher auf den Bauteil aufgebracht werden. Allerdings verzögern die Schaltzeiten zwischen Roboter, Systemsteuerung und Applikator die Reaktion der Ventilnadel, die die Düse öffnet und schließt. An dieser Stelle erreichen herkömmliche Applikationssysteme ihre Grenzen.
Relation of switching time and robot spead in stitch bead applications
Beispiel: benötigte Schaltzeiten bei einer Robotergeschwindigkeit von 350 mm/s:
- 34,2 ms bei einer Applikation oder einer Lücke von 12 mm
- 28,5 ms bei einer Applikation oder einer Lücke von 10 mm
- 22,8 ms bei einer Applikation oder einer Lücke von 8 mm
Umsetzung über Robotersteuerung
Bei vielen industriellen Dosiersystemen muss die Steppnaht über die Robotersteuerung programmiert werden, wobei die Raupenlänger und die Lückenlänge manuell eingegeben werden müssen. Die Schaltzeit muss dabei zwingend mit der Robotergeschwindigkeit abgeglichen werden, da sonst die „mm“-Angaben nicht mit den Raupen- bzw. Lückenlängen übereinstimmen. Das erfordert einen hohen Programmieraufwand.
Umsetzung über Applikationssteuerung
Moderne Klebe- und Dosiersysteme für Industrieanwendungen aus der SCA-Produktlinie von Atlas Copco bieten eine spezielle Software für Steppnahtapplikationen. Die Raupen- und Lückenlängen können ganz einfach in mm direkt in der Applikationssteuerung eingegeben werden. Über das Pistolen-Auf-Signal startet der Roboter die Applikation. Die Ventilsteuerung errechnet selbstständig auf Basis der eingetragenen Raupen- und Lückenlängen die Ansteuerung der Ventileinheit. Die Robotergeschwindigkeit wird gleich mit verrechnet. Die Rückkopplung erfolgt über einen Wegaufnehmer und geht in die Berechnung mit ein. Der Roboterprogrammierer muss nur das Startsignal, die Auftragsbahn und die Geschwindigkeit verwalten, die Schaltsignale für den Auftragskopf bereitet die Klebesystemsteuerung selbständig auf.
Vorteile der softwarebasierten Programmierung:
- Automatische Ermittlung der Schaltzeiten
- Exakte Auslösung des Applikatorventils
- Hohe Flexibilität: Bis zu 128 Sequenzen (Raupe und Lücke) sind innerhalb eines Programms möglich
- Geringer Programmieraufwand und geringes Risiko von Bedienerfehlern
Fallbeispiel: Hochgeschwindigkeits-Steppnaht
Ein asiatischer Automobilhersteller beschloss, hochfeste Klebeverbindungen mit Punktschweißen am Innenrahmen, Bodenrahmen, Mitteltunnel, Armaturenbrett und Radlauf einer neuen Fahrzeugplattform zu kombinieren. Ziel war es, die Steifigkeit, die Crash-Sicherheit und das Fahrverhalten insgesamt zu verbessern. Interne Untersuchungen haben gezeigt, dass sich das Fahrverhalten des Fahrzeugs mit bis zu 50 Metern Klebstoff im Unterboden deutlich verbessert hat. Die Steppnaht erwies sich als das für diese Herausforderung am besten geeignete Applikationsmuster. Sie ermöglicht eine großflächige Verteilung zwischen den Schweißpunkten an der Unterbodengruppe, ohne das 70-Meter-Optimum zu überschreiten.
High-speed pneumatic stitch bead applicator for heated and unheated materials.
Die Anforderung des OEM war eine Robotergeschwindigkeit von mindestens 500 mm/s ohne Beeinträchtigung der Applikationsqualität und Prozesssicherheit. Für diesen Kunden entwickelte Atlas Copco einen speziellen Applikator, um einen zuverlässigen Hochgeschwindigkeitsprozess gemäß der Kundenspezifikation zu ermöglichen. Die Lösung ist ein pneumatischer Applikator mit einem doppelt wirkenden Zylinder und extrem schnell schaltenden Luftventilen. Um den Nadelhub zu beschleunigen, hat Atlas Copco u. a. die Ventilöffnungen vergrößert. Beim Öffnen und Schließen der Düse kann die Luft schneller entweichen. Heute betreibt der asiatische OEM mehr als 100 Atlas Copco-Systeme im Karosserierohbau und arbeitet bereits mit Atlas Copco daran, die Robotergeschwindigkeit noch weiter zu erhöhen.
Zusammenfassung: Warum Sie in eine Steppnahtlösung investieren sollten
Die Steppnaht ist ein echter Problemlöser beim hybriden Fügen, insbesondere in Kombination mit Punktschweißen. Durch Materialeinsparungen von mehr als 20 % können Sie erhebliche Kosten einsparen, zusammen mit vielen anderen Vorteilen, die Ihre Produktivität, Sicherheit und Qualität steigern und Ihre Gesamtbetriebskosten senken. Die Robotergeschwindigkeit kann jedoch im Applikationsprozess eine Herausforderung sein. Angesichts der hohen Anforderungen der Branche erreichen viele herkömmliche Dosiersysteme ihre Grenzen. Atlas Copco hat einen speziellen Hochgeschwindigkeitsapplikator entwickelt, um Robotergeschwindigkeiten von 500 mm/s und mehr zuverlässig auszuführen. Gleichzeitig reduziert die spezielle Software den Programmieraufwand.
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