Projekt Resurgam: die größten Herausforderungen für Werften beim Rührreibschweißen von Stahl

Für Werften und Schiffbauer gibt es viele Herausforderung, die Herstellung und Wartung von Hightech-Schiffen zu verbessern. Das Rührreibschweißen (FSW) hat sich als leistungsstark erwiesen und bietet eine Antwort auf diese Herausforderungen. Das Resurgam-Projekt wurde speziell für Schweißprobleme im Schiffbau initiiert und zielt darauf ab, hochproduktive Rührreibschweißsysteme von Stahl in europäischen Werften und bei Schiffbauern zu integrieren. Dieses Projekt, das von vielen europäischen Akteuren unterstützt wird, ist dabei, das Schweißen in der Schiffswelt zu revolutionieren, und Stirweld trägt zu dieser Revolution bei.

Was ist das Resurgam-Projekt? Vorstellung, Ziele und Herausforderungen des Projekts.

Resurgam-Projekt: Zwischen FSW-Schweißen und Werften

Das Resurgam-Projekt ist ein europäisches Projekt im Rahmen von Horizont 2020 (oder H2020). Dieses europäische Forschungs- und Entwicklungsprogramm bringt multidisziplinäre und komplementäre Fachkenntnisse zusammen, um die Anwendung des Rührreibschweißens oder FSW in großen Anwendungen zu ermöglichen; den Werften. Die Mitglieder des Resurgam-Projekts sind europäische Akteure im Bereich des Schiffbaus und der Schiffswartung, spezialisierte Forschungseinrichtungen sowie KMU, die sich auf die schnelle Entwicklung von Prototypenmaterial spezialisiert haben.

Die für das Resurgam-Projekt zusammengeschlossenen Akteure verfügen über komplementäre Fachkenntnisse, die es ermöglichen, die Wettbewerbsfähigkeit der internationalen Märkte für kleine und mittlere Werften und Schiffbauer zu fördern.

Derzeit ist es für Werften und Schiffbauer aufgrund fehlender Kapazitäten und mangelnder Ressourcen schwierig, große Hightech-Schiffe zu bauen und zu warten. Die Wettbewerbsfähigkeit der internationalen Märkte, die durch das Resurgam-Projekt gefördert wird, ermöglicht es, auf diese Probleme zu reagieren und allen Akteuren des Weltmarktes die Spitzentechnologien und Ressourcen zu eröffnen, die für die Herstellung, Wartung und Renovierung von Hightech-Schiffen erforderlich sind.

Die Umwelt, ein Grundstein des Resurgam-Projekts

Ein zentraler Punkt des Projekts betrifft die Verbesserung der Umweltleistung von Schiffbauern und Werften. Durch die Integration der FSW-Praxis in die Werften und bei den Schiffbauern wird die Umweltverträglichkeit erheblich verbessert, und zwar in Bezug auf 3 wichtige Parameter:

Rauchemission: Beim FSW entsteht nur sehr wenig Rauch. Beim herkömmlichen Lichtbogenschweißen kommt es zu einer Freisetzung von sechswertigem Chrom. Dies ist beim Rührreibschweißen nicht der Fall.

Energieeffizienz: Im Gegensatz zum Lichtbogenschweißen (SAW) werden beim Rührreibschweißen keine zusätzlichen Materialien benötigt. Diese Materialien werden nicht verbraucht und müssen daher nicht als Abfall behandelt werden, was sowohl die Kosten für die Gewinnung als auch die Umweltbelastung senkt.

Materialzufuhr: Das Resurgam-Projekt mit Unterstützung der Europäischen Union hat auch als Ziel die Einsparung von CO2-Emissionen. Dies wird durch den Einsatz des Rührreibschweißens (FSW) erreicht.

FSW in der Schiffsproduktion und -wartung: es bringt erhebliche wirtschaftliche Vorteile.

Neben den realen Umweltvorteilen dieses neuen Resurgam-Projekts, werden auch nicht zu unterschätzende wirtschaftliche Gewinne erzielt.

Die Montage von Schiffsrümpfen durch Rührreibschweißen würde bis zu 15% an Kosten einsparen und die Fertigungszeiten um bis zu 31% verkürzen (Quelle: resurgamproject.eu). Dies entspricht einer jährlichen Einsparung von nicht weniger als 893 Mio. € bei den Produktions- und Wartungskosten in Europa.

Die technischen Lösungen, die das Rührreibschweißen (FSW) von Stahl bietet

Das Rührreibschweißen (FSW) ist eine Schweißtechnik mit hoher Integrität, bei der kein Material geschmolzen wird. Die Schweißnähte werden im festen Zustand ausgeführt, d. h. ohne den Schmelzpunkt des Grundmaterials zu erreichen. Das Schweißen erfolgt durch mechanische Verformung, wenn das rotierende Werkzeug in das Material eintaucht und sich entlang des zu schweißenden Bereichs bewegt. Bei diesem Verfahren werden alle Eigenschaften der Materialien eingehalten, so dass bei Einhaltung der Schweißparameter nur sehr wenige Fehler auftreten.

Im Rahmen des Resurgam-Projekts werden neue Technologien erforscht, die dazu beitragen sollen, die Schweißprozesse zu verändern und die Welt des Schiffbaus und der Schiffswartung durch das Rührreibschweißen (FSW) zu revolutionieren. Diese neuen Technologien lassen sich in drei Schwerpunkte unterteilen:

Rührreibschweißen : von Aluminium bis Stahl

Die heutigen Lösungen für das Rührreibschweißen (FSW) eignen sich hervorragend zum Schweißen von Aluminiumteilen. Auf Werften werden Schiffsrümpfe aus Stahl gefertigt, einem reinen Material, das viel dicker, stärker und auch viel härter ist. Während der Schmelzpunkt von Aluminium bei etwa 660 °C liegt, beträgt der Schmelzpunkt von Stahl 1300 °C.

Das erste Ziel des Resurgam-Projekts war es daher, neue Lösungen für das Rührreibschweißen zu entwickeln, die solchen Schmelzpunkten standhalten können. Die Herausforderung bestand auch darin, herauszufinden, welche Hybridwerkstoffe bei Stahlanwendungen Verschleiß und Abrieb standhalten würden.

Wartung von Schiffsrümpfen: Rührreibschweißen unter Wasser durch Roboter

Eine weitere Herausforderung des Projekts bestand darin, eine neue Technologie zu entwickeln, die es ermöglicht, Wartungsarbeiten unter Wasser durchzuführen, um Reparaturen auf See oder in engen Räumen durch Rührreibschweißen von Stahl durchzuführen.

Der Prototyp eines intelligenten Unterwasser-ROV-Roboters mit einer FSW-Spindel wurde entwickelt, um die Wartung von Schiffsrümpfen durchzuführen, ohne diese aus dem Wasser holen zu müssen. Eine Revolution in der Branche, die nicht nur große technologische Fortschritte, sondern auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.

Dieser ferngesteuerte Roboter (ROV) ist auch mit Laserbildkameras ausgestattet, die in der Lage sind, potenzielle Schäden und deren Ausmaß zu erkennen. Ein effektives Mittel, um notwendige Reparaturen zu identifizieren und durchzuführen.

Bau von Schiffsrümpfen aus Stahl mithilfe des FSW

Schiffsrümpfe bestehen aus flachen Stahlplatten mit einer Größe von 12m x 3m. Diese Platten werden zu Schiffsrümpfen zusammengefügt. Bis heute werden diese Rümpfe durch Lichtbogenschweißen verbunden, was einige Nachteile und Mängel mit sich bringt. Vergleichstabelle Lichtbogenschweißen/FSW

Mit diesen neuen Technologien für das FSW auf Stahl wird das Zusammenfügen der Paneele von wesentlich höherer Qualität sein, mit besserer mechanischer Festigkeit und ohne Verformung. Diese Verbindungen werden direkt auf großen Bearbeitungszentren hergestellt, die mit einer Rührreibschweißspindel ausgestattet sind, die speziell für das FSW-Schweißen von Stahl entwickelt wurde.

Der hochbelastbare FSW-Kopf, der speziell für Stahl entwickelte FSW-Spindel, made by Stirweld

Ein neues, spezielles Resurgam-Design für die hochbelastbare FSW-Spindel

Nach den Stirweld Rührreibschweißköpfen V3 und V4 ist nun die hochbelastbare FSW-Kopf auf den Markt gekommen. Im Prinzip sind die Kopfkonzepte gleich: eine rotierende Welle, die von einer NC-Spindel angetrieben wird.

Die größte Neuerung besteht in der Form des Kopfes und in den Kühlsystemen. Die ersten Köpfe hatten ein quadratisches Format, während die neue FSW-Spindel eine zylindrische Form hat, die vor allem für das Kühlsystem wichtig ist. Der neue Schwerlastkopf ist außerdem 2,5-mal größer als seine Vorgänger.

Ein neues Kühlsystem für FSW von Stahl

Wie bereits erwähnt, ist das Schweißen von Stahl aufgrund der Schweißtemperatur und des Schmelzpunkts der Anwendung komplexer als das Schweißen von Aluminium. Um sich an diese neuen Parameter anzupassen, mussten Stirwelds team ein neues Kühlsystem erfinden. Der Schmelzpunkt von Stahl liegt bei 1300 °C im Vergleich zu 660 °C bei Aluminium. Die Herausforderung bestand also darin, das gekühlte Wasserkreislaufsystem zu überarbeiten, mit dem das Rührreibschweißen (FSW)-Prozess gekühlt wird.

Die von Stirweld entwickelten Rührreibschweißköpfe V3 und V4 sind derzeit mit einem Kühlsystem ausgestattet.

Mit den neuen Schweißparametern, die das Schweißen von Stahl ermöglichen, ist die Rotationsgeschwindigkeit viel höher und erzeugt daher auch viel höhere Temperaturen am Kopf. Daher wurden alle Kühlsysteme überarbeitet und maximiert:

Am Schieber: Neues Kühlsystem über Wasserkanäle von einem externen Kühlaggregat, das gekühltes Wasser in einer Spule leitet, um die Oberfläche des Schiebers zu bedecken.

Auf der Spindelwelle (rotierendes System): Die ganze Herausforderung lag in der Kühlung dieses Teils. Da es sich um ein rotierendes System handelt, haben unsere Stirweld-Ingenieure ein Kühlsystem entwickelt, das aus abgedichteten Kammern rund um die Spindel besteht. Die Kammern sind mit Dichtungen verschlossen, so dass gekühltes Wasser die Kammern in einem Kreislauf durchflutet und das System kühlt.

Luftkühlsystem: Das dritte und letzte Kühlsystem. Wie bei den vorherigen Versionen wird Luft um das Werkzeug an der Reibungsstelle zwischen Werkstück und Anwendung geblasen, wodurch einige bekannte Fehler beim FSW vermieden werden.

Neue technische Einrichtungen, um neue FSW-Einstellungen zu unterstützen

Neben neuen Kühlsystemen musste die neue FSW-Hochlastspindel in verschiedenen technischen Punkten angepasst werden, um mehreren neuen Faktoren, wie z. B. der Belastungsfähigkeit, gerecht zu werden.

Da Stahl schwerer als Aluminium ist, war die Belastbarkeit des FSW-Kopfes für das Rührreibschweißen auf Stahl zu gering.

Es wurde ein neues Kugellagersystem eingeführt, während bei den anderen Versionen ein Schienensystem verwendet wurde. Bei den V3 oder V4 FSW-Köpfen betrug die Schmiedekraftkapazität 18.000 Newton bzw. 25.000 Newton für Aluminium. Bei Stahl kann die neue FSW-Kopf mit ihrem Kugellagersystem für Stahl 50 000 Newton aushalten, was Belastungskräften von 5000 kg entspricht.

Ein europäisches Projekt, das viele Akteure zusammenbringt.

Das Resurgam-Projekt ist ein europäisches Horizont-2020-Projekt (H2020). Außerdem wurde es vom Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Kommission unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101007005 gefördert.

In diesem Projekt ermöglichen zahlreiche Akteure und Partner mit komplementären Spezialisierungen die Entwicklung und Innovation dieser neuen Technologien:

Ein Projekt, das ständig voranschreitet und Innovationen hervorbringt, mit Akteuren, die in naher Zukunft, das Rührreibschweißen (FSW) von Stahl in vielen anderen Industriebereichen revolutionieren werden.

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