PresseKat - Innovative Schweißtechniken – schonend für Mensch und Natur

Umweltschutz durch emissionsarme Schweißverfahren - Die Bedeutung von Klima- und Umweltschutz ist in den letzten Jahrzehnten mehr und mehr gewachsen. Im Rahmen des drohenden Klimawandels ist es unabdingbar, dass Emissionen eingeschränkt werden und grüne Energien gefördert werden – jedoch lässt sich dies nicht immer mit wirtschaftlichen Aspekten vereinbaren.
Innovative und energiesparende Verfahren sind deswegen umso wichtiger, denn bereits bei der Herstellung von Bauteilen können CO2-Emissionen eingespart werden. Dies gelingt beispielsweise durch neuartige Techniken wie dem Rührreibschweißen.

(firmenpresse) - Was ist Rührreibschweißen?

Das Rührreibschweißverfahren (eng,: friction stir welding) ist ein 1991 von Wayne Thomas am ‘The Welding Institute‘ in Cambridge entwickeltes Fügeverfahren für Leichtmetalle.
Hierbei werden die zu verbindenden Metalle im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren nicht an den Fügestellen geschmolzen, sondern durch ein rotierendes Werkzeug unter hohem Druck in einander gerührt.
Das sich drehende Werkzeug wird zunächst in den Fügespalt gedrückt und verweilt dort für einige Sekunden um Reibung zu erzeugen. So entsteht Wärme, die das Metall bis kurz unter den Schmelzpunkt aufheizt, wodurch das Material seine Festigkeit verliert und in einen weicheren, leicht verformbaren Zustand übergeht. Nun wird das rotierende Werkzeug mit hohem Druck die Fügelinie entlang geführt und „verrührt“ die Metalle miteinander, während es sie gleichzeitig zusammendrückt, sodass eine feste Verbindung entsteht. Am Ende des Prozesses wird das Werkzeug aus der Fügezone der so erzeugten Schweißnaht entnommen und die Naht überprüft.

Warum ist es so umweltfreundlich und schonend?

Einer der größten Vorteile des Rührreibschweißens in Sachen Umweltschutz ist der geringe Anfall von CO2-Emissionen.
Das Rührreibschweißen weist im Vergleich zu anderen Schweißverfahren eine deutlich bessere Energiebilanz auf: es wird eine geringere Energiezufuhr benötigt, die zudem direkt auf das Material einwirken kann. Somit besteht ein höherer Wirkungsgrad und Energieeffizienz als bei anderen Fügeverfahren und es wird keine Energie verschwendet.
Die zum Schweißen benötigten Werkzeuge sind zusätzlich verschleißarm und somit trotz der hohen Belastungen lange einsetzbar.

Zudem werden durch den Verzicht auf Schutzgase und Zusatzwerkstoffe keine weiteren Ressourcen benötigt und es fallen keine zusätzlichen Emissionen an.
Schutzgase werden nicht benötigt, da das Metall während des Schweißprozesses nicht in eine flüssige Phase übergeht und somit keine Gefahr besteht, dass Luftsauerstoff die Fügestellen angreift und Gaseinschlüsse in der Naht erzeugt. Bei anderen Verfahren, wie beispielsweise dem Schmelzschweißen, werden Schutzgase benötigt, um den Sauerstoff von den Fügestellen fernzuhalten.

Zusatzwerkstoffe werden bei Verfahren wie beispielsweise dem Lichtbogenschweißen benötigt. Ein Draht wird dazu verwendet den Fügespalt zu überbrücken. Bei dem Rührreibschweißverfahren wird dieser nicht benötigt, da die Materialien direkt an den Fügestellen verbunden werden können.

Da durch die niedrigen Prozesstemperaturen kein Schweißrauch entsteht, werden die Arbeitsbedingungen durch das Rührreibschweißen nicht nur angenehmer, sondern auch bedeutend gesünder und sicherer. Auch bestimmte Bestandteile von Schutzgasen breiten sich schnell im Raum aus und verdrängen den Sauerstoff, sodass es schnell zu Kopfschmerzen bis hin zu Ohnmacht kommen kann. Schweißrauch hingegen enthält giftige Schadstoffe, die Augen und Atemwege reizen und chronische Schäden an den Lungen bewirken können.

Anwendungsbeispiele

Das Rührreibschweißen eignet sich besonders für Aluminium und Aluminiumlegierungen, da es durch die niedrigen Prozesstemperaturen nicht zu einem Übergang in die flüssige Phase kommt und so die Bildung von Heißrissen und Poren verhindert wird. Die Schweißnaht wird somit absolut dicht und fest; das Material bleibt jedoch auch entlang der Fügezone duktil, sodass Bauteile in folgenden Arbeitsschritten verformt und weiterverarbeitet werden können.
Somit entstehen durch das Rührreibschweißen Eigenschaften, die mit dem Schmelzschweißverfahren praktisch nicht erreicht werden können.
Diese Eigenschaften sind zumal besonders wichtig für viele verschiedene Anwendungsbereiche in der Industrie: Aluminium spielt eine wichtige Rolle im Schiff- und Flugzeugbau sowie in der Raumfahrt. Besonders verbreitet ist es jedoch im Automobilbau. Durch seine Stabilität, gute Wärmleitfähigkeit und geringes Gewicht sind die Werkstoffe des Leichtmetalls ein beliebtes Material für Motoren, Kolben und Karosserien. Gerade für den Bau von stromsparenden Elektrofahrzeugen ist Aluminium als metallischer Werkstoff aufgrund seines geringen Gewichts unverzichtbar.
In Kombination mit dem Rührreibschweißverfahren können so Fahrzeuge entwickelt werden, die nicht nur umweltfreundlich sondern auch effizienter sind und somit die nachhaltige Elektromobilität vorantreiben.

Ein Beispiel dafür sind batteriebetriebene Busse für den Öffentlichen Personennahverkehr des Fraunhofer Gesellschaft. In dem Verbundprojekt „Schnellladesysteme für Elektrobusse im ÖPNV (SEB)“ werden derzeit Linienbusse entwickelt, die bei gleicher Leistung rein elektrisch angetrieben werden, jedoch auf die bisher benötigte Fahrleitung zur Stromversorgung verzichten. Um rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge für den öffentlichen Linienverkehr zu ermöglichen, müssen die Energiespeicher aus Gewichts- und Kostengründen klein und leicht gehalten werden. Die benötigte Gesamtmenge an aufzubringender Energie lässt sich so verringern, jedoch verringert sich durch die geringere gespeicherte Menge an Energie auch die Reichweite der Busse. Um dies auszugleichen, sollen die Batterien über den Tag regelmäßig nachgeladen werden, was eine schnelle Ladefähigkeit erfordert.

Die Entwicklung der dieser Batteriemodule erfolgte hierbei durch Hoppecke Advanced Technology GmbH.
Ziel ist es, kurze Zwischenhalte – wie beispielsweise an den Endhaltestellen – zum Energie aufladen nutzen zu können. Doch die dadurch erforderliche hohe Ladeleistung von bis zu 450kW erzeugt viel Wärme in den Batteriemodulen, die durch ein Kühlsystem wieder abgeführt werden muss. Um das Gewicht möglichst gering zu halten, müssen die Kühlkörper besonders flach und leicht gehalten werden.
Nachdem mehrere Lösungsansätze, wie beispielsweise die Fertigung eines kompletten Frästeils oder eines Gussteils mit Kühlrohrschlagen, unbefriedigend waren, legte man das Rührreibschweißen als neuen Ansatz fest. Daraufhin wurde die RRS Schilling GmbH als Experte für das Rührreibschweißen für die Entwicklung und Herstellung der Kühlplatten herangezogen. Durch die Verwendung des Schweißverfahrens war es möglich, nur 1,3kg schwere und 5mm dicke Kühlplatten herzustellen, die direkt an den Batteriemodulen anliegen.

Damit ist das Projekt nicht nur ein wichtiger Schritt in Richtung Elektromobilität, sondern arbeitet bereits durch den Herstellungsprozess mit umweltfreundlichen Verfahren – ein besonderer Vorteil, wenn die Busse tatsächlich eines Tages in Serie für den Nahverkehr produziert werden sollten.