Besser, günstiger, nachhaltiger: Rührreibschweißen ist die beste Lösung für Batteriegehäuse

Till Maier: Das Rührreibschwei?en bringt für die Herstellung von Batteriegeh?usen viele Vorteile mit sich. Erstens eine extrem hohe Schwei?qualit?t: Es gibt keine Poren oder Risse, die Nahtfestigkeit ist sehr hoch – bei minimalem Schwei?verzug. Au?erdem bietet das Verfahren ein hohes Einsparpotenzial, von der Materialeinsparung durch Bauteiloptimierung über fehlende Verbrauchsmaterialien wie Schutzgas und Fu?lldraht bis zur Einsparung einer umfangreichen Kantenvorbereitung. Und schlie?lich ist der Prozess nicht nur durch den geringen Energieverbrauch – bis zu 80 Prozent weniger als beim Metall-Inertgas- oder Laserschwei?en – besonders umweltfreundlich. Er ben?tigt auch keine chemische Werkstoff-Vorbehandlung oder Blendschutzma?nahmen, da weder Rauchgas- noch L?rmbelastung entstehen. 

Till Maier: Einerseits beliefern wir Tier-1-Unternehmen aus diversen L?ndern, die OEMs, also den Herstellern von Originalausrüstung in der Automobilindustrie, zuarbeiten. Immer gr??er und wichtiger aber wird die Gruppe unserer Direktkunden aus dem OEM-Bereich: Bei diesen fungieren wir als Generalunternehmer. Wir kümmern uns also nicht nur um die Roboter und die zugeh?rigen Technologien, sondern auch die komplette Logistik sowie vor- und nachgelagerte Prozesse – wie etwa das nachtr?glich Entgraten oder Bürsten der Schwei?fl?chen. Als dritte Gruppe forschen wissenschaftliche Institute mit R&D-Roboterzellen von KUKA an Prozessen und Verfahren.

Stefan Fröhlke: So ist es. Ein Prozess muss ja beherrscht werden, bevor er industrialisiert werden kann. Genau dafür gibt es die Prozesstechnik, die den Prozess festlegt und erst einmal Wissen aufbaut. Viele Kunden kaufen bei uns beispielsweise erst einmal eine R&D-Zelle und testen verschiedene Parameter, um den Prozess einzustellen. Das unterscheidet sich wesentlich vom typischen Produktgeschäft, bei dem man ein fertiges Produkt aufstellt. Deshalb sprechen wir auch von Lösungen – und zu diesen gehört neben den Produkten auch die jahrzehntelange Erfahrung unserer Fachleute. Diese können den Prozess einrichten, Untersuchungen durchführen und herausfinden, welche Lösung für die Kundschaft am sinnvollsten ist. Anschließend stellen wir diese dann zusammen. Dazu gehört dann nicht nur der Roboter mit Spindel und Steuerung, sondern auch die darauf abgestimmten Werkzeuge sowie die Konstruktion für Halterungen oder Vorrichtungen. Wir liefern ein vollständiges Paket, inklusive Vorabnahme bei uns und Endabnahme beim Kunden.

Stefan Fr?hlke: Die ersten Untersuchungsschritte erfolgen auf theoretischer Ebene: Zun?chst tauscht man sich über die zu verarbeitenden Legierungen aus und analysiert, ob sie sich überhaupt schwei?en lassen. Anschlie?end werden Erreichbarkeitsstudien anhand von 3D-Modellen durchgeführt: Erreicht der Roboter alle relevanten Stellen? Besteht das Risiko von Kollisionen mit Bauteilen, Spannern oder Werkzeugen? Danach folgt die praktische Testphase: Mit Demonstratoren, z. B. Sample-Parts, werden die Schwei?n?hte eingehend untersucht – etwa durch Laboranalysen wie beispielsweise die Erstellung von Schliffbildern, bei denen man die Naht auch von innen betrachten kann. Zudem werden Biege- und Zugprüfungen durchgeführt. Der Prozess verl?uft dabei in Etappen, ?hnlich einer K.-o.-Runde im Sport: In jeder Stufe wird geprüft, ob s?mtliche technischen Spezifikationen und Qualit?tsanforderungen erfüllt sind. Auch nachdem alle Tests erfolgreich verlaufen sind und die Anlage entsprechend konfiguriert werden kann, lassen wir unsere Kunden nicht allein: Nach der Abnahme kümmern wir uns etwa um die Schulung der Mitarbeitenden. Und wenn sp?ter, bei laufender Anlage, prozesstechnische Fragen oder Probleme auftreten sollten, stehen wir ebenfalls weiter beratend und unterstützend zur Seite.

Stefan Fr?hlke: Das Basislevel ist erst einmal unsere Roboterschulung im KUKA College. Hier bieten wir je nach Rolle und Aufgabe unterschiedliche Schulungen an, etwa für Inbetriebnehmer oder Anlagenbediener. Erg?nzt werden kann diese Basisschulung durch eine FSW-Prozessschulung, die entweder zwei bis drei oder fünf Tage dauert. Hier geht es um die Besonderheiten im Prozess: Worauf muss ich in der Produktion achten? Was sind die Rahmenbedingungen, Kriterien und Parameter? Wie richte ich den Prozess ein? Wie funktioniert eine verl?ssliche Prozess- und Qualit?tskontrolle? Grunds?tzlich k?nnen wir alle Schulungen bei uns in Augsburg oder beim Kunden vor Ort durchführen, weltweit – und dabei sehr konkret auf die individuellen Bedingungen der Kunden eingehen.

Till Maier: Grundsätzlich haben wir drei Lösungsansätze in unserem Roboter-Portfolio: Erstens den neuen KR FORTEC ultra in der MT-Ausführung mit 300 Kilogramm Traglast und einer Reichweite von bis zu 2.800 Millimeter (KR 300 R2800-2 MT). Diesen Roboter bieten wir als universelles, roboterbasiertes 3D-Applikationsmodul für komplexe 2D- und 3D-FSW-Anwendungen an. Dann die modulare Rührreibschweißzelle KUKA cell4_FSW midsize single in Kombination mit dem oben genannten Roboter für mittelgroße Anwendungen mit höchster Prozessauslastung wie etwa HEV-Batteriegehäuse. Und schließlich die Rührreibschweißzelle KUKA cell4_FSW large dual, ebenfalls mit dem oben genannten Roboter, für große Anwendungen mit höchster Prozessauslastung, zum Beispiel BEV-Batteriekästen. Unsere FSW-Roboterzellen wurden speziell für den wachsenden Markt der E-Mobilität entwickelt. Sie sind modular aufgebaut und damit skalierbar für verschiedene Fertigungsumfänge, also sehr vielseitig mit verschiedensten Konfigurationsmöglichkeiten.

Stefan Fröhlke: Dabei ist unser KR FORTEC ultra MT keine gewöhnliche Pick-and-Place-Maschine, sondern eine spezielle MT-, also Machine-Tooling-Variante. Den Achsen 1 bis 3 wurden dabei durch spezielle Getriebevorstufen und Motoren optimiert, was enorme Prozesskräfte von bis zu 12 Kilonewton und teilweise sogar darüber hinaus ermöglicht. Dank der neuen Doppelschwinge und neuen Maschinendaten ist sie extrem steif und speziell für den FSW-Prozess entwickelt worden. Diese Fähigkeit, hohe Kräfte mit präziser Wiederholgenauigkeit aufzubringen, unterscheidet uns von anderen Roboterherstellern – KUKA war hier einer der absoluten Vorreiter. Aber auch die einzelnen Werkzeuge am Roboter und die Spannvorrichtungen werden kundenspezifisch ergänzt.

 

Till Maier: Die M?glichkeiten an verschiedenen FSW-Werkzeugen sind sehr umfangreich – vom herk?mmlichen Werkzeug, bei dem sich sowohl Schulter als auch Stift drehen, über eine station?re Schulter, bei dem nur der Stift rotiert, bis zu Bobbin-Werkzeugen und vielen weiteren Spezialausführungen. KUKA engagiert sich stark in der Entwicklung von FSW-Werkzeugen, entwirft neue Werkzeuggeometrien oder forscht zur Verschlei?mechanik. Wir arbeiten an Beschichtungen, um die Widerstandsf?higkeit der Werkzeuge zu erh?hen und ihre Lebensdauer zu verl?ngern, und führen gemeinsame Entwicklungsprojekte mit unseren Lieferanten durch, um neue Werkstoffe zu finden, die ein optimales Preis-Leis-tungs-Verh?ltnis bieten. Dabei haben sich aus unserer Erfahrung Schwei?werkzeuge mit feststehender Schulter als beste L?sung erwiesen. Sie erm?glichen eine hohe Schwei?qualit?t und sorgen für eine glatte, gleichm??ige Schwei?oberfl?che, was den Aufwand für Nacharbeiten erheblich reduziert.

Stefan Fr?hlke: Ganz klar: Dass unser neuer KR FORTEC ultra MT sowie gleicherma?en unser bereits weitverbreiteter KR 500 MT ausreichend steif und gleichzeitig hochpr?zise sind und dank der st?rkeren Motoren die n?tige Power haben, den FSW für die meisten Anwendungen aus der E-Mobilit?t pr?zise auszuführen. Au?erdem haben wir für ihn eine Art Pfadkalibrierungssystem entwickelt. So messen wir w?hrend des gesamten Schwei?prozesses mit einem Lasertracker seine Position, k?nnen in Echtzeit online reagieren und den Roboter auf Kurs halten. Dank einer Bahngenauigkeit kleiner 0,5 Millimeter sind hochpr?zise Schwei?n?hte m?glich. Kurzum: Dieses Robotersystem ist den hohen Kr?ften beim FSW sehr gut gewachsen.

Till Maier: Mit dem neuen KR FORTEC ultra MT haben wir nochmal einen draufgesetzt, da dieser noch einmal bis zu 20 Prozent zus?tzliche Prozesskr?fte aufbringen kann. Die seit Frühjahr 2025 neu verfügbaren Modelle sind au?erdem mit Reichweiten von bis zu 3.400 mm erh?ltlich, was den effektiven Arbeitsbereich für Kunden von KUKA beim Rührreibschwei?en vergr??ert. Doch der KR FORTEC war schon vorher überaus beliebt: Kein anderer Roboter wurde in den vergangenen Jahren so h?ufig für FSW-Anwendungen verkauft!

Till Maier: Aktuell haben wir einen Folgeauftrag von 12 FSW-Zellen von einem gro?en Automobilhersteller aus den USA erhalten, der zuvor bereits 23 Zellen bei uns bestellt hatte. Die Zellen kommen bei mehreren Fertigungsschritten zum Einsatz: Die Roboter schwei?en Batterietr?ger zusammen und verbinden in einem zweiten Produktionsabschnitt Kühlbleche mit den Batterietr?gern. KUKA liefert aber nicht nur die Technologie, sondern ist für den gesamten Rührreibschwei?prozess verantwortlich – inklusive Montage, Inbetriebnahme, Schulung und Endabnahme. Besonders spannend ist hier, dass in der umfassend umgerüsteten Produktionsanlage Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, Hybrid- und Elektrofahrzeuge auf denselben Produktionslinien gebaut werden k?nnen.

Stefan Fr?hlke: Das ist deshalb bemerkenswert, weil Hybrid-Elektrofahrzeuge und ausschlie?lich batteriegetriebene Fahrzeuge sehr unterschiedliche Anforderungen an die Produktion stellen. Bei den Hybridfahrzeugen haben wir kleinere Batteriegeh?use, die aus Aluminiumguss bestehen. Diese haben Kühlkan?le, und unsere Aufgabe ist es, diese Kühlkan?le zu schlie?en. Bei den ausschlie?lich batteriebetriebenen Fahrzeugen sind die Batteriegeh?use dagegen viel gr??er und haben ein viel h?heres Gewicht. Das bedeutet, dass viele Komponenten aus verschiedenen Aluminiumlegierungen bestehen.

Till Maier: Acht unserer Roboter, davon drei FSW-Applikationsmodule mit dem KR 500 MT FORTEC in drei KUKA cell4_FSW-Zellen, stehen au?erdem seit 2022 bei einem gro?en Automobilzulieferer in Portugal. Der war bei der Anlage eines anderen Herstellers unzufrieden mit der Schwei?qualit?t. Wir haben zun?chst eine Anlage mit zwei Zellen und jeweils einem KR 500 MT FORTEC für ihn entwickelt. Aufgrund der Flexibilit?t, auf einer Anlage unterschiedliche Batteriek?sten schwei?en zu k?nnen, war der Kunde so begeistert, dass er direkt eine weitere Anlage bestellt hat – eine Zelle mit einem Roboter, der drei Vorrichtungen bedienen kann. Damit lassen sich drei unterschiedliche Schwei?aufgaben bewerkstelligen, wofür sonst drei nichtroboterbasierte Anlagen notwendig w?ren. Der Rührreibschwei?roboter kann dabei bis zu 95 Prozent ausgelastet werden, da w?hrend des Schwei?vorgangs die Vorrichtungen in einem eigenen Sicherheitsbereich bereits be- und entladen werden k?nnen.

Till Maier: In der Automobilindustrie muss eine Schwei?ung 100 Prozent korrekt und sicher sein, schlie?lich sprechen wir bei den Batteriegeh?usen über crashrelevante Bauteile! Um teure Rückrufaktionen zu vermeiden, ist Prozesssicherheit und Dokumentation w?hrend des gesamten Prozesses und seiner Parameter eine zentrale und zwingende Anforderung. Deshalb haben wir bei KUKA eine spezielle Steuerung zur Prozessüberwachung entwickelt: PCD, was für ?Parameter Control and Documentation“ steht. Mit dieser k?nnen wir alle relevanten Daten des Prozesses überwachen und speichern, und zwar im 100-Millisekunden-Takt. Auch k?nnen die Daten einfach über eine Schnittstelle in anderen Systemen weiterverarbeitet werden.

Stefan Fr?hlke: Eine gro?e. Deshalb arbeiten wir zusammen mit weiteren Partnern im KI-Produktionsnetzwerk der Universit?t Augsburg in einem ?ffentlichen F?rderprojekt des Bayerisches Verbundforschungsprogramm an einem KI-basierten Prozessüberwachungssystem. Bei diesem zeichnen unterschiedliche Sensoren die auftretenden Kr?fte, Temperaturen und Schwingungen beim Schwei?en auf. Fokussiert wird dabei vor allem die Analyse von Signalen im Ultraschallbereich. KI interpretiert die umfangreichen Sensordaten und die Forschenden ordnen sie Vorg?ngen im Schwei?prozess zu. Bestimmte Muster in den Daten k?nnen dann darauf hinweisen, dass eine Schwei?naht nicht sauber ausgeführt wurde.

Till Maier: Was uns von unseren Mitbewerbern abhebt, ist unsere Gesamtkompetenz. Manche Unternehmen liefern einen Roboter, andere eine Spindel oder spezielle Werkzeuge, haben dann aber nicht das notwendige Prozess-Know-how. Wir k?nnen all diese Komponenten, Prozesse und das Wissen aus einer Hand anbieten. Au?erdem designen und programmieren wir unsere Roboter so, dass sie optimal auf die individuellen Anforderungen der Kunden eingestellt sind – von der Konzeption bis zur Umsetzung haben wir damit Einfluss auf alle relevanten Prozessschritte.

Stefan Fr?hlke: Durch unsere vielfache, direkte Zusammenarbeit mit den Endkunden sammeln wir zudem wertvolle Erfahrungen, die wir kontinuierlich in unsere L?sungen einflie?en lassen. Als Integratoren stehen wir für die Qualit?t einer Anlage gerade und l?sen mit unterschiedlichsten Methoden auch knifflige Aufgaben. Sofern gewünscht, k?nnen wir unseren Kunden komplette, schlüsselfertige L?sungen bieten, die perfekt auf ihre individuellen Anforderungen abgestimmt sind.

Till Maier: Oder anders gesagt: KUKA ist von der ersten Produktidee bis hin zur komplett fertigen Gesamtl?sung der richtige Partner, wenn es ums Rührreibschwei?en in der E-Mobilit?t geht.

Beim Rührreibschweißen – englisch Friction Stir Welding (FSW) – wird ein rotierendes, stiftähnliches Werkzeug zwischen den Berührungsflächen des Bauteils entlanggeführt. Durch die Reibungswärme plastifiziert der Werkstoff und die Teile werden miteinander verbunden. So können selbst schwer schweißbare oder artfremde Stoffe wie Aluminium mit Magnesium, Kupfer oder Stahl verschweißt werden. Bei diesem Verfahren wird weniger Energie und Material als bei traditionellen Schweißverfahren verbraucht. FSW wurde Anfang der 1990er Jahre vom Welding Institute (TWI) in Großbritannien entwickelt. Seitdem hat es sich in verschiedenen Industrien etabliert, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie oder im Schiffbau. Mit dem Boom der E-Mobilität und der erhöhten Nachfrage nach Batterien erlebt das FSW einen Aufschwung. Vorangetrieben wird dieser durch umfangreiche Forschung und Entwicklung, was zu ständigen Verbesserungen und Erweiterungen führt. Mit der ISO 25239 gibt es für FSW eine spezifische Norm, die das Verfahren reguliert und standardisiert.