Ziele

Nietverbindungen im Flugzeugbau durch Schweißnähte zu ersetzen ist ein Weg, das Gewicht von metallischen Rumpfstrukturen zu verringern.

Um dabei spannungsarme Verbindungen zu erreichen, müssen die zu fügenden Verstrebungen (Stringer) beidseitig, gleichzeitig und mit höchster Präzision geschweißt werden. Für die Führung der beiden Laserstrahlen bedeutet das eine Genauigkeit von ±50 µm im gesamten Bearbeitungsraum von 10.000 x 3.000 x 1.000 mm. Gleichzeitig müssen die Stringer präzise an das Hautfeld gedrückt werden, um Spaltbildungen zu vermeiden.

Um nahezu porenfreie Aluminiumschweißnähte herzustellen, muss zusätzlicher Werkstoff als Draht und Prozessgas zugeführt werden. Auch hier muss die exakte Positionierung im dreidimensionalen Raum und über den gesamten Arbeitsbereich gewährleistet sein.

Herausforderungen

Um die umrissenen Ziele zu erreichen, wurde ein Laserportal mit zwei Brücken und drei Z-Achsen vorgesehen. Dazu gehören zwei Laserbearbeitungsköpfe und eine Andrückeinheit zur Stringerführung.

Die Herausforderung für ibs Automation bestand in der Entwicklung des Steuerungskonzeptes sowie der Lieferung der gesamten Steuerungstechnik.  Zusätzlich sollte ein Postprozessor zur einfachen Programmierung der Laseranlage mit CAD-Daten entwickelt werden.

Lösung

In der Steuerung der sogenannten XXL-Laserstrahlschweißanlage wurden zwei CNC-Steuerungen Sinumerik 840D eingesetzt, die über Fast-IPO-Link in der Interpolationsebene miteinander verbunden sind.
Eine CNC-Einheit steuert die beiden Laserbearbeitungsköpfe. In einem Kanal pro Kopf ist eine kinematische 6-Achs-Transformation von ibs Automation als Compile-Zyklen-Software enthalten. Damit werden neben den drei Linearachsen X, Y und Z auch die drei Orientierungsachsen A, B und C in die Programmierung des Werkzeugmittelpunktes einbezogen.
Die zweite CNC steuert die Antriebe für die Stringerführung. In der Steuerung enthalten ist eine kundenspezifische kinematische Transformation sowie eine Kraftregelung zum Andrücken des Stringers auf das Hautfeld.

Um die geforderte Positioniergenauigkeit zu garantieren, wurden beide Laserbearbeitungsköpfe mit einem Profilsensor versehen und je eine CNC-integrierte Nahtführung als Compile-Zyklen-Software implementiert.

Fazit: Mit dieser ibs-Lösung lassen sich heute 3D-Laserschweißnähte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 13m/min und Genauigkeiten bis zu ±50 µm realisieren.

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