Rührreibschweißen: ein Kostenkiller in der Luftfahrtindustrie
Die Verwendung von Aluminiumlegierungen ist für die verarbeitende Industrie in der Luftfahrt von großem Interesse, da sich mit diesem Werkstoff aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften die Nutzlast und die Treibstoffeffizienz von Flugzeugen erhöhen lassen. Das Fügen von Aluminiumlegierungen mit Techniken wie dem Schmelzschweißen ist oft fehleranfällig. Im Gegensatz dazu bietet das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren.
FSW ist ein sehr interessantes Festkörperschweißverfahrenfür Bauteile aus Aluminiumlegierungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Es wird bereits in vielen Anwendungen eingesetzt und bietet der Luftfahrtindustrie große Vorteile.
Schauen wir uns an, was diese realen Anwendungen sind!
FSW-Anwendungen in der Luftfahrtindustrie
Wie bereits erwähnt, wird das FSW-Verfahren bereits im Luftfahrtsektor eingesetzt. Insbesondere ein Drittel der Tätigkeit von Stirweld ist bereits dieser Art von Anwendung gewidmet.
Hier einige konkrete Beispiele für aktuelle Anwendungen:
Rührreibscheißen für die Herstellung von Tanks
Wenn man von Anwendungen in der Raumfahrt spricht, muss man unbedingt auch die Herstellung von Wasserstofftanks erwähnen. Tatsächlich wird Wasserstoff in der Luft- und Raumfahrt zunehmend untersucht und eingesetzt. Insbesondere Airbus hat angekündigt, Wasserstofftanks entwickeln zu wollen. Wenn die Tanks aus Aluminium hergestellt werden, ist FSW sehr interessant. Warum? Weil es billiger ist als Verbundtanks und sicherer als Tanks aus Stahl.
Kesselwagen für den Transport von konzentrierter Salpetersäure (United Wagon Co)
Der Vorteil der Verwendung von FSW zur Herstellung von Wasserstofftanks liegt darin, dass die mechanische Festigkeit einer mit FSW hergestellten Schweißnaht höher ist als die einer WIG- oder Lichtbogenschweißnaht. Durch die Verwendung des Rührreibschweißens erhält man direkt einen dichten Tank, was beim MIG- oder WIG-Schweißen nicht der Fall ist. Beim Reibschweißen entstehen Poren, die undicht werden. Dies ist beim FSW nicht der Fall.
Das einzige Problem, auf das Sie bei der Verwendung von FSW als Verbindungstechnologie stoßen könnten, ist das Austrittsloch der Schweißnaht. Dieses Loch entsteht, wenn das feststehende FSW-Werkzeug aus dem geschweißten Teil austritt. Dieser Mangel wird jedoch durch die Anwendung des Prinzips des einziehbaren Stifts umgangen: Dabei handelt es sich um einen bestimmten Stift, der in einer zusätzlichen Achse platziert wird, sodass wir am Ende des Schweißvorgangs den Stift einziehen. Dadurch wird das Austrittsloch am Ende der Schweißung gefüllt.
Auf dem Foto unten ist eine FSW-Rundnaht an einem Aluminiumtank mit 100 mm Durchmesser aus 2024-T3 und einer Dicke von 2,4 mm zu sehen. Am Ende der Schweißnaht ist ein Austrittsloch zu erkennen, das mithilfe des Prinzips des einziehbaren Stifts gefüllt wurde.
Das FSW-Schweißverfahren für die Herstellung von Tanks wird bei allen Trägerraketen verwendet. Wie Sie wissen, haben Trägerraketen Sauerstoff- und Wasserstofftanks, und alle Trägerraketen weltweit verwenden das FSW-Verfahren aus offensichtlichen Gründen :
Ersetzen von Nieten durch FSW-Schweißen
Luft- und Raumfahrtstrukturen werden durch Nieten zusammengefügt. Bisher war es nicht möglich, das Schweißverfahren zu verwenden, da die meisten Luft- und Raumfahrtstrukturen aus 7xxx- und 2xxx-Aluminiumlegierungen bestehen. Wenn in diesen Fällen Reibschweißen (z. B. WIG-, MIG-, Lichtbogen- oder Laserschweißen) verwendet wird, entstehen bei diesen Aluminiumlegierungen viele Defekte, wie z. B. Risse. Da die Struktur auf Ermüdung ausgelegt ist, kann das Vorhandensein von Rissen nicht akzeptieren.
Durch die Verwendung von FSW vermeiden wir diesen Fehler, da es sich um ein Festkörperverfahren handelt. Das bedeutet, dass es möglich ist, solche Aluminiumlegierungen auf sichere und qualitätsgesicherte Weise zu schweißen. Es ist daher möglich, das Nieten zu ersetzen.
Das Ersetzen von Nieten durch das Rührreibschweißen hat mehrere Vorteile:
Luft- und Raumfahrt: Ersatz von Nieten
Punktschweißen: Ersatz für das Widerstandsschweißen
Wie auf den Bildern oben zu sehen ist, kann der Austausch der Nieten entweder durch kontinuierliches Schweißen oder durch Punktschweißen erfolgen (eine Punktschweißnaht ersetzt die Stelle, an der sich die Niete befand).
Der Ersatz von Nieten durch FSW wurde bereits untersucht und hat sich bei verschiedenen Anwendungen als effektiv erwiesen:
Reduzierung von Rohstoffen durch Verwendung von Rühreibschweißen
In der Luft- und Raumfahrtindustrie ist es sehr wichtig, das sogenannte „buy to fly“-Verhältnis zu berücksichtigen. Dabei handelt es sich um das Verhältnis zwischen dem Gewicht des Rohmaterials, das zur Herstellung des Teils verwendet wird, und dem Gewicht des fertigen Teils. Ziel ist es, dieses Verhältnis so niedrig wie möglich zu halten, da Ausschuss zwar recycelt werden kann, sein Wert jedoch begrenzt ist und er nicht für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden kann. Ein weiteres Problem bei der Bearbeitung aus Rohmaterial ist die lange Produktionszeit, die bis zu mehr als einem Jahr dauern kann. Durch den Einsatz des Rührreibschweißens kann das Verhältnis „buy to fly“ erheblich reduziert werden, wodurch die erforderlichen Investitionen deutlich sinken.
Ein Beispiel hierfür ist einer unserer Kunden, dem es gelungen ist, einen Großteil des verwendeten Aluminiums zu reduzieren, indem er die FSW-Technologie in die Herstellung seiner Rahmen integriert hat:
FSW-geschweißtes Teil
Detail der FSW-Lötung
Fertiges Teil
Dieser Rahmen ist etwa einen Meter lang. Zuvor hatte dieser Kunde einen kompletten Aluminiumblock verwendet. Ausgehend von vier Aluminiumprofilen werden nun an jeder Ecke vier Schweißnähte hergestellt und bearbeitet, um dieses Endstück zu erhalten.
Dies ist natürlich keine vertrauliche Anwendung, sondern dient als Beispiel, um sich vorstellen zu können, dass viele andere Flugzeugstrukturen, die einen Aluminiumblock verwenden, auf die gleiche Weise hergestellt werden könnten (was eine große Menge an Material einspart, ohne dass 90 % des Teils bearbeitet werden müssen). Diese Art von Anwendung ist also dem 3D-Druck sehr ähnlich, nur dass es sich hier um große Teile handelt und die einzige Grenze die Größe der CNC-Maschine ist.
Wie bereits erwähnt, gibt es in der Luftfahrtindustrie eine große Anzahl von Teilen, die mit dieser Technik hergestellt werden könnten, die viele Vorteile bietet :
Beispiel für ein Teil, das durch die Reduzierung der Menge an verwendetem Rohmaterial entworfen wurde
Rührreibschweißen von Kupferkomponenten
In den meisten Flugzeugen ist der Ausgang der Generatorquellen mit einer oder mehreren Kupferschienen mit niedriger Impedanz verbunden. Diese befinden sich an zentralen Punkten im Flugzeug und versorgen verschiedene Verbraucherkreise mit Strom.
Wie wir auf dem Bild rechts sehen können, können wir Draht schweißen. Noch interessanter ist, dass wir Kupfer mit Aluminium schweißen können, sodass wir eine Sammelschiene herstellen können, bei der das Kupfer dort bleibt, wo wir es brauchen (für den elektrischen Kontakt), und wir Aluminium für den Rest der Sammelschiene verwenden können. Dadurch senken wir die Kosten und das Gewicht des Teils.
Der Hauptvorteil besteht darin, dass weniger geschraubt werden muss. Derzeit werden die Sammelschienen durch Verschrauben in das Flugzeug integriert; das Hauptproblem sind die Kosten für die Bearbeitung und Verschraubung – Schweißen ist immer billiger als Verschrauben.
Ein weiterer großer Vorteil ist, dass man eine kontinuierliche und fehlerfreie metallurgische Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen erzielt, sei es zwischen Kupfer und Aluminium, Kupfer mit Kupfer oder Aluminium mit Aluminium.
Auch die Gefahr des Abschraubens besteht nicht. Man muss bedenken, dass in einem Flugzeug Vibrationen auftreten, die zu einem Lösen der Schrauben führen können, was sogar einen Brand verursachen kann. Durch die Verwendung des Rührreibschweißens entfällt dieses Risiko.
Erwähnt seien auch die anderen Vorteile, die durch FSW für Kupferkomponenten in der Luftfahrtindustrie induziert werden:
Was die Hauptvorteile des FSW-Schweißens von Kupfer und Aluminium betrifft, so sind diese wie folgt:
Wie kann Stirweld Ihnen bei der Einführung der FSW-Technologie helfen?
Wie wir gesehen haben, bietet die Integration der FSW-Technologie in den Fertigungsprozess der Luftfahrtindustrie große Vorteile, insbesondere eine erhebliche Reduzierung der erforderlichen Investitionen.
Diese Vorteile zeigen sich nicht nur bei den verschiedenen Anwendungen, die in diesem Artikel erwähnt werden, sondern auch beim Schweißen von Kühlplatten. Um mehr darüber zu erfahren, empfehlen wir Ihnen den Artikel „Cold plate & FSW: Die Antwort auf die Herausforderungen des Wärmemanagements„.
Ob Sie Experte oder Anfänger sind, Stirweld kann Ihnen bei der Integration von FSW auf vier Arten helfen:
Ein FSW-Kopf zum Schweißen und Bearbeiten auf derselben Maschine
Der Stirweld FSW-Kopf kann auf jedem Bearbeitungszentrum montiert werden und bietet alle Funktionen, die zur Durchführung des Rührreibschweißens fehlen. Auf diese Weise ist es möglich, FSW-Operationen auf Ihrer CNC-Werkzeugmaschine durchzuführen, und zwar zu Kosten, die bis zu zehnmal niedriger sind als die einer dedizierten Maschine. Dies ist für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sehr interessant, da hier das Volumen geringer ist als bei anderen Anwendungen (insbesondere in der Automobilindustrie).
Außerdem kann der Kopf in nur 15 Minuten auf- und abgebaut werden, so dass das Werkstück direkt nach dem Schweißen bearbeitet werden kann, ohne dass der Kopf bewegt werden muss. Dies ist in Bezug auf die Produktivität und hauptsächlich bei großen Werkstücken sehr interessant.
FSW-Tools für Ihre Anwendung in der Luftfahrt
FSW-Werkzeuge sind wie Fräswerkzeuge Verbrauchsmaterialien. Sie haben eine lange Standzeit: bis zu zwei Kilometer Schweißen mit einem einzigen Werkzeug. Natürlich gibt es verschiedene Werkzeuge, die für jede Art von Anwendung geeignet sind. Im Falle von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sind die interessantesten :
Um mehr über Stirweld-Werkzeuge zu erfahren, können Sie gerne unseren FSW-Werkzeugkatalog herunterladen.
FSW-Industriestudie für eine erfolgreiche Umsetzung Ihres FSW-Verfahrens
Wir sind uns bewusst, dass das Rührreibschweißen für viele ein neues und ungewohntes Verfahren ist. Deshalb bieten wir bei Stirweld industrielle Studien an, um unseren Kunden bei ihren ersten Schritten in diesem Bereich zu helfen, indem wir sie während des gesamten Prozesses begleiten :
FSW-Schulung: Erweitern Sie Ihr Wissen über die Technologie des Rührreibschweißens.
Stirweld bietet auch Schulungen an, die unseren Kunden helfen sollen, das Rührreibschweißen zu verstehen, wenn sie sich entschließen, es in ihren Anlagen einzusetzen. Die Schulungen richten sich nach dem Wissensstand der Teilnehmer: von Personen, die mit dem FSW-Schweißen völlig unvertraut sind, bis hin zu solchen, die sich als erfahren auf diesem Gebiet betrachten.
Wir veranstalten verschiedene Webinare, in denen Sie erfahren können, wie die FSW-Technologie bei verschiedenen Anwendungen und in unterschiedlichen Branchen eingesetzt wird. Sehen Sie sich alle unsere Webinare auf unserer FSW-Webinarseite an.
Sind Sie an der Integration von FSW in Ihre Luftfahrtanwendung interessiert?
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