Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff „on-the-fly” auf die dynamische und in Echtzeit erfolgende Ausführung von Aufgaben, ohne den Gesamtprozess anzuhalten oder zu unterbrechen. In der Welt der automatisierten Fertigung verkörpert das On-the-fly-Laserschweißen dieses Konzept, indem es ein kontinuierliches Schweißen ermöglicht, während das Werkstück oder der Schweißkopf in Bewegung bleibt.
Da die Industrie weiterhin auf eine schnellere und intelligentere Produktion drängt, gewinnt dieses Schweißverfahren in modernen Fertigungsumgebungen zunehmend an Bedeutung. In diesem Artikel wird erläutert, was On-the-Fly-Laserschweißen ist, wie es funktioniert und welche wesentlichen Vorteile es Herstellern bietet.
Was ist On-the-Fly (OTF)-Laserschweißen?
On-the-fly-Schweißen (OTF), auch als Schweißen im laufenden Betrieb und manchmal als Scannerschweißen bezeichnet, ist ein automatisiertes Laserschweißverfahren, bei dem ein Laserscansystem zum Schweißen verwendet wird, während sich der Schweißkopf oder die Zielkomponenten kontinuierlich bewegen.
Um das Grundprinzip des On-the-Fly-Schweißens zu verstehen, müssen zunächst andere gängige automatisierte Laserschweißverfahren untersucht werden. Diese Verfahren können als „Stop-and-Start“-Ansätze für das Laserschweißen betrachtet werden.
Hohe Geschwindigkeit: Stop-and-Start-Laserschweißen mit feststehendem Schweißkopf
Die einfachste und gängigste Methode des Laserschweißens sind feststehende Laserschweißköpfe, die den Strahl auf eine stationäre Position direkt unterhalb der Optik lenken. Es gibt einige Ausnahmen, vor allem bei Schweißköpfen, die für das „Wobble-Schweißen” ausgelegt sind und ein kleines Sichtfeld nutzen, um Schweißnahtmuster zu erzeugen.
Um Schweißnähte zu erstellen, die größer als die Spotgröße des Strahls sind, oder um eine Reihe einzelner Schweißnähte zu erstellen, muss entweder der feste Schweißkopf oder die zu schweißenden Teile bewegt werden. Ersteres ist häufiger der Fall, da es relativ einfach zu bewerkstelligen ist.
Höhere Geschwindigkeit: Stop-and-Start-Laserschweißen mit einem Scankopf
Laserscanköpfe, auch als Scanner und Galvo-Scanköpfe bekannt, verwenden einen Galvanometer, um Laserstrahlen durch die Drehung einer Reihe sorgfältig platzierter Spiegel abzulenken. Durch diese Konstruktion kann der Strahl über ein großes Sichtfeld geführt oder „gescannt” werden. So können Scanneroptiken lange Nähte, komplexe Schweißmuster und viele einzelne Schweißnähte erzeugen, während sowohl der Scankopf als auch die Teile stationär bleiben.
Das Scanner-Schweißen wird häufig für anspruchsvolle Anwendungen mit hohem Durchsatz wie das Schweißen von Batterien eingesetzt. Das Schweißen mit einem Scankopf reduziert zwar die Häufigkeit, mit der ein System angehalten werden muss, macht es jedoch nicht vollständig überflüssig. Darüber hinaus verursacht das Schweißen an den Rändern des Sichtfelds eines Scankopfs subtile Verzerrungen im Fokus des Strahls, was bei hochpräzisen Anwendungen mit engen Prozessfenstern zu Problemen führen kann.
Die Herausforderungen an den Rändern des Sichtfelds lassen sich verringern, indem nur ein kleiner Teil des Scannerfelds genutzt wird. Dadurch entsteht ein gleichmäßigerer Punkt, allerdings muss der Scanner häufiger neu positioniert werden, um den Schweißbereich abzudecken. Das Neupositionieren des Scanners ist ein relativ langsamer Vorgang, der den Gesamtdurchsatz erheblich verringert.
Höchste Geschwindigkeit: Schweißen im laufenden Betrieb mit einem Scankopf
Glücklicherweise lässt sich die Leistungsfähigkeit des Laserscannings noch weiter steigern, sodass komplexe Schweißmuster erstellt werden können, während sich die Optik bewegt oder Teile darunter bewegt werden. Durch dieses Verfahren muss das System deutlich seltener angehalten werden.
Bei der Verwendung eines Laserscankopfes für das Schweißen während der Bewegung wird in der Regel nur ein kleiner Teil des Sichtfeldes genutzt. Mit anderen Worten: Die Optik bleibt größtenteils direkt über dem Schweißziel, auch wenn sich die Systemelemente in Bewegung befinden. Dadurch werden Verzerrungen der Eigenschaften des Laserspots, die durch die Ausrichtung des Strahls auf die Ränder des Sichtfeldes des Scanners verursacht werden, praktisch eliminiert.
Da beim On-the-Fly-Schweißen sowohl der Fokus als auch der Weg des Laserstrahls dynamisch angepasst werden, ermöglicht dieses Verfahren auch die automatische Berücksichtigung von Höhenunterschieden und dreidimensionalen Geometrien der Werkstücke, ohne dass der relative Abstand des Scankopfes zum Werkstück verändert werden muss.
Wie On-The-Fly-Schweißen funktioniert
Beim Schweißen während der Bewegung des Scanners oder der Teile muss das von der Optik erzeugte Strahlmuster diese Bewegung kompensieren. Dies erfordert eine enge Integration der Systemkomponenten.
Für Anwendungen mit hoher Genauigkeit und hohem Durchsatz, wie beispielsweise das Schweißen von Batterien, ist eine Kombination aus Portal und Scanner oft optimal. In diesem Beispiel verfolgt die Scannersteuerung die Position und Geschwindigkeit des Scanners und kompensiert die Strahlbahn, um die richtige Schweißform an genau der richtigen Stelle zu erzeugen. Während herkömmliche Scannerschweißtechniken die vergleichsweise einfache Aufgabe haben, die gewünschte Form aus einer festen Position heraus zu „zeichnen“, muss beim On-the-Fly-Schweißen der Strahl auf der Grundlage von Echtzeitberechnungen entlang einer Bahn geführt werden, die sich von der endgültigen Schweißnaht unterscheidet.
Um dieses Konzept zu veranschaulichen, betrachten wir eine kreisförmige Schweißnaht, eine bei Scanner-Schweißanwendungen recht häufige Form. Wie links im Bild oben zu sehen ist, steuert die Scanner-Software den Strahl so, dass eine Schleifenform entsteht. Das Ergebnis ist die rechts abgebildete Schweißnaht, die den gewünschten perfekten Kreis bildet.
Die Einzelheiten der Berechnung von Strahlwegen und Strahlgeschwindigkeiten hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie Geschwindigkeit, Flugbahn und der gewünschten Form der endgültigen Schweißnaht. Auch die Art der Bewegung – Portal, Roboter oder Förderband – ist von Bedeutung.
Vorteile des On-The-Fly-Schweißens
Erhöhte Effizienz und Durchsatz: Durch die drastische Reduzierung der erforderlichen Anzahl von Starts und Stopps eliminiert das On-the-Fly-Schweißen effektiv unproduktive Intervalle, die sonst für das Verändern der Positionen von Teilen oder Optiken aufgewendet werden müssten. Bei Produktionslinien, die große Mengen einzelner Teile schweißen, viele Schweißnähte an einem Teil vornehmen oder viele lange, durchgehende Schweißnähte herstellen müssen, ist es in der Regel möglich, die Produktivität mit dem On-the-Fly-Schweißen um ein Vielfaches zu steigern.
Verbesserte Präzision und Zuverlässigkeit: Das On-the-Fly-Schweißen berechnet und passt die Schweißparameter kontinuierlich an, um der kontinuierlichen Bewegung Rechnung zu tragen. Dadurch wird der Laserstrahl präzise ausgerichtet, während die optimalen Strahleigenschaften erhalten bleiben. Da der Scankopf zudem ein begrenztes Sichtfeld nutzt, sind die Schweißergebnisse konsistenter und vorhersehbarer, sodass es einfacher ist, innerhalb enger Prozessfenster zu bleiben.
Flexibilität: Das On-the-Fly-Schweißen kann verwendet werden, während sich der Scankopf in Bewegung befindet, beispielsweise bei Anwendungen, bei denen viele einzelne Schweißnähte an einem großen Teil vorgenommen werden müssen, wie beim Schweißen von Batteriesammelschienen. Das OTF-Schweißen kann auch verwendet werden, während der Scankopf stationär bleibt und viele kleinere Teile darunter bewegt werden, beispielsweise beim Schweißen einzelner Batteriezellen, die auf einem Drehförderer transportiert werden.
Darüber hinaus funktioniert das On-the-Fly-Schweißen sowohl mit 3-Achsen-Portal- und kartesischen Bewegungssystemen als auch mit Robotersystemen.
Kompatibilität mit anderen Laserschweißtechnologien: Das On-the-Fly-Schweißen kann mit anderen vorteilhaften Laserschweißtechnologien kombiniert werden, die die Strahleigenschaften verändern und den Schweißprozess überwachen.
Beispielsweise ist das On-the-Fly-Schweißen mit Dual-Beam-Lasern kompatibel, die die Schweißqualität verbessern und Spritzer reduzieren. Das OTF-Schweißen kann auch mit einer Echtzeit-Direktlaserschweißmessung kombiniert werden, einer Form der Prozessüberwachung, die Herstellern dabei hilft, wichtige Schweißcharakteristika wie die Schweißtiefe zu verfolgen.
Die aktuellen Möglichkeiten des On-The-Fly-Schweißens
Die On-the-Fly-Schweißtechnologie wird nur von einer begrenzten Anzahl von Lasertechnologieanbietern angeboten. Die komplexen Berechnungen und Programmierungen, die das On-the-Fly-Schweißen ermöglichen, bedeuten, dass die leistungsstarken, präzisen Fähigkeiten und Funktionen streng geheim gehalten werden.
Bei der von IPG Photonics entwickelten On-the-Fly-Schweißtechnologie wurden Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 1.000 Schweißnähten pro Minute nachgewiesen, selbst beim Schweißen komplexerer Schweißmuster wie Spiralen.
Die IPG-On-the-Fly-Schweißtechnologie ist außerdem einzigartig kompatibel mit Single-Mode -Dual-Beam-AMB-Lasern und LDD-Echtzeit-Schweißmessung(zum Patent angemeldet).
Welche Branchen und Anwendungen profitieren vom On-The-Fly-Schweißen?
Das On-the-fly-Schweißen ist eine relativ neue Technologie, bietet jedoch für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen erhebliche Vorteile in Bezug auf Produktivität, Qualität und Zuverlässigkeit.
EV- und Batterieschweißen: Das OTF-Schweißen wird von einigen der weltweit größten Hersteller von Elektrofahrzeugen eingesetzt und eignet sich ideal für die extrem hohen Anforderungen an Durchsatz und Präzision in der E-Mobilitäts- und Batterieindustrie.
Das On-the-Fly-Schweißen, insbesondere in Verbindung mit Dual-Beam- und Echtzeit-Schweißmesstechnologien, ist ein leistungsstarkes Schweißverfahren für Anwendungen wie das Schweißen von Batteriezellen an Sammelschienen, das Schweißen von Deckeln an Batteriezellen, das Schweißen von Batteriekühlplatten und das Schweißen von Bipolarplatten für Brennstoffzellen.
Automobilindustrie: Die Automobilindustrie als Ganzes profitiert ebenfalls von den verbesserten Produktionsmöglichkeiten, die das On-the-Fly-Schweißen bietet, obwohl es mit der Elektrofahrzeugindustrie in Verbindung steht. Das OTF-Schweißen eignet sich gut für das Schweißen von Blechteilen in der Rohkarosserie. Das OTF-Schweißen ist auch vielversprechend für das Schweißen verschiedener anderer Automobilteile, die in Fahrzeugmotoren und Getrieben verwendet werden.
Luft- und Raumfahrt: Viele der Vorteile, die das OTF-Schweißen bietet, lassen sich auch auf die vielfältigen Schweißanforderungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie übertragen. Ähnlich wie in der E-Mobilitätsbranche sind auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie oft sowohl ein hoher Durchsatz als auch eine hohe Präzision gefragt.
Allgemeine Fertigung: Als flexibles Schweißverfahren, das sowohl für das Mikroschweißen als auch für das Konstruktionsschweißen eingesetzt wird, eignet sich das On-the-Fly-Schweißen gut für viele allgemeine Anwendungen, die von einer höheren Produktivität profitieren.
Erste Schritte mit dem On-The-Fly-Schweißen
Die IPG-On-the-Fly-Schweißtechnologie ist eine Schlüsselkomponente, die in hochproduktiven Laserschweißlösungen zum Einsatz kommt. Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie On-the-Fly-Schweißen Ihrer Anwendung zugute kommen kann?
Der Einstieg ist ganz einfach: Schicken Sie uns einige Musterteile, besuchen Sie eines unserer weltweiten Anwendungslabore oder erzählen Sie uns einfach von Ihrer Anwendung.
