Schnell und sauber verbunden

Hydragen HG1-Einheit (Bild: Dynacert)

Der Partikelausstoß von Dieselmotoren bei Pkw ist seit dem Dieselskandal ein vieldiskutiertes Thema. Weniger beachtet werden dagegen gewerblich genutzte Motoren, die sowohl im Straßenverkehr in Lkw, als auch abseits der Straße, zum Beispiel in Baumaschinen, eingesetzt werden. Interessant ist, dass der Anteil der Feinstaubemissionen durch Lkw in Deutschland höher ist, als der von Pkw. Dynacert, Toronto, Kanada, hat es sich zur Aufgabe gemacht, speziell den CO₂– und Feinstaubausstoß von gewerblichen Dieselmotoren zu verringern. Das Unternehmen hat ein nachrüstbares System entwickelt, das bedarfsgesteuert reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff produziert und in den Ansaugtrakt des Motors einspeist. Die sogenannte Hydragen Technologie lässt den Motor deutlich effizienter verbrennen, wodurch der Ausstoß von Stickoxiden um bis zu 88 % reduziert und gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch um bis zu 19 % gesenkt werden kann. In Deutschland wurde das System 2019 durch das Kraftfahrtbundesamt aufwendig geprüft und zugelassen.

Herzstück dieser Technologie ist die HG1-Einheit, ein einfach nachrüstbares Modul, das ungefähr die Größe eines Handgepäckkoffers besitzt. Die HG1 ist eine zuverlässige und effektive Elektrolyseeinheit, die ausgehend von destilliertem Wasser bei Bedarf Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt und dem Motor zur Verfügung stellt. Durch dieses bedarfsgesteuerte Erzeugen und Zuführen entfällt eine Speicherung der Gase.

Flüssigkeits- und gasdicht

Die technische Umsetzung der Elektrolyseeinheit in solch kompaktem Bauraum ist anspruchsvoll. Aufgrund des Anwendungsbereichs muss die HG1-Einheit sehr robust und insgesamt wasserdicht sein. Im Inneren erfordert der Elektrolyseprozess einen säurehaltigen Elektrolyten zur Prozessbeschleunigung. Dieser wird in einem Teil des zweiteiligen Tanks gespeichert. Weiterhin befinden sich im Betrieb die Prozessgase, die nicht entweichen dürfen, im Inneren. Der zweiteilige Behälter muss zu 100 % dicht geschweißt werden, um Leckagen über die Lebenszeit auszuschließen.

Die Laserschweißstation wurde auf die Anwendung angepasst. (Bild: Dynacert)

Als Fügeverfahren standen Kleben, Laser- oder Heizelementschweißen zur Auswahl. Für das Laserschweißen der Baugruppe sprach, neben der kurzen Taktzeit, insbesondere der geringe Platzbedarf des Fügeverfahrens sowie die hohe Prozesssicherheit. Auch die Werkzeugkosten sind im Vergleich zu Alternativverfahren gering.

Der kanadische Hersteller hat sich auch aufgrund der erzielbaren Genauigkeiten für dieses Fügeverfahren entschieden, da durch die sehr geringe Wärmeeinflusszone enge Toleranzen eingehalten werden können. Außerdem sprachen die guten Möglichkeiten der Online-Prozessüberwachung, die hohe erzielbare Schweißnahtfestigkeit und die Tatsache, dass keine teuren Zusatzwerkstoffe erforderlich sind, dafür. Des Weiteren entsteht nahezu kein Materialabfall und Nacharbeit entfällt.

Das Schweißen mittels Laser ist ein einstufiger Prozess, bei dem die Erwärmung des Kunststoffes und der Verbindungsvorgang gleichzeitig ablaufen. Beim konventionellen Durchstrahlschweißen wird dabei ein für die Wellenlänge der Laserstrahlung transparenter Werkstoff mit einem absorbierenden kombiniert. Der Laserstrahl wird durch das lasertransparente Formteil hindurch auf den absorbierenden Fügepartner fokussiert, der oberflächlich aufschmilzt. Über Wärmeleitung wird das durchlässige Bauteil, das mit einer definierten Kraft angepresst wird, ebenfalls plastifiziert: eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Wegen der überlappenden Anordnung der Fügepartner ist das optische Verhalten des Polymers von großer Bedeutung. Im Wellenlängenbereich der üblicherweise eingesetzten Laser, dem nahen Infrarot (808 bis 980 nm), sind die meisten ungefüllten Thermoplaste ausreichend transparent, um sie bis zu einer Dicke von wenigen Millimetern schweißen zu können. Die Absorption des unteren Fügepartners wird durch die Zugabe von absorbierenden Additiven eingestellt – im einfachsten Fall durch Partikelruß.

Formteiltoleranzen beim Fügen ausgleichen

Neben diesem Grundprinzip ist die Art der Bestrahlungsstrategie ein wichtiges Merkmal zur Einteilung der Verfahrensvarianten. Dabei wird zwischen Kontur-, Simultan- und Quasisimultanschweißen unterschieden. Da jedes der Verfahren seine spezifischen Vorteile beziehungsweise Merkmale aufweist, muss für jeden Anwendungsfall entschieden werden, welche Art der Energieeinbringung erfolgen soll. Für die hier bearbeitete Baugruppe wird das Quasisimultanschweißen eingesetzt. Dabei wird der Laserstrahl unter Verwendung galvanometrischer Spiegel mit sehr hohen Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s entlang der Schweißkontur geführt. Ziel dabei ist es, die Kontur mehrfach so schnell abzufahren, dass die gesamte Schweißnaht quasi gleichzeitig erwärmt und aufgeschmolzen wird. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, einen Fügeweg zum Ausgleich von Ungenauigkeiten aufgrund von Formteiltoleranzen zu überbrücken.

Das lasertransparente Oberteil ist mit der Grundplatte verschweißt. (Bild: Evosys)

Als Werkstoff wurde wegen der optischen und mechanischen Randbedingungen ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) ausgewählt. Aufgrund der Forderung an die Baugruppe, dass die Füllstände gut ablesbar sind, wurde die Einfärbung mit Evosys Laser, Erlangen, abgestimmt. Im vorliegenden Fall wurde die Farbkonfiguration getauscht, das heißt, die normalerweise lasertransparente Grundplatte ist durch Zugabe von Pigmentruß schwarz absorbierend eingefärbt und der lasertransparente Tank wird aus einem naturfarbenen Thermoplast gefertigt.

Durch den sich dadurch ergebenden hohen Aufbau des lasertransparenten Fügeteils und die hervorstehenden Medienanschlüsse können für den Prozess keine normalen Spannwerkzeuge eingesetzt werden. Über ein sogenanntes Spiegelwerkzeug wird der Laserstrahl um den Aufbau herum in den Schweißbereich geführt.

Kompakt aufgebaut

Aufgrund unterschiedlicher Varianten der Baugruppe und deren manuellen Beschickung ist ein Stand-alone-System wie das EVO 1800 für die Produktion gut geeignet. Es besitzt ein intuitives Bedienkonzept sowie eine integrierte Prozessüberwachung und ermöglicht mit der Prozesssoftware Evolap eine leichte Prozessumstellung.

Kernelement der Maschine ist die Laserquelle mit nachfolgender Strahlformung und -führung. Der Strahl wird mit einem speziellen Optikaufbau in einen Galvanometerscanner geleitet. Nach dem Scanner folgt eine F-Theta-Linse, die den Strahl in den Bearbeitungsbereich fokussiert. Um die komplexe Form der Schweißnaht zu bearbeiten, fährt der Laserstrahl diese mehrfach hintereinander ab. Dabei wird der Strahl, wie zuvor beschrieben, über ein Spiegelwerkzeug in die Fügeebene gelenkt. Die erforderlichen Spiegelelemente sind dabei direkt an der Spannbrille angebracht.

Wechselbare, bauteilspezifische Aufnahmen und stabile Spannbrillen sorgen für das exakte Positionieren der Fügepartner vor dem Schweißvorgang. Sobald beide in der korrekten Lage sind, wird die gesamte Vorrichtung automatisch in Fügeposition gefahren. Nun erfolgt das Spannen mit einem Pneumatikzylinder, der die gesamte Baugruppe von unten gegen die Spannbrille drückt und die erforderlichen Kräfte für den Schweißprozess dosiert. Während des Fügevorgangs erfolgt eine Online-Prozesskontrolle mittels Fügewegüberwachung. Durch das Human-Machine-Interface (HMI) auf Basis einer Industrie-SPS kann die Anlage einfach bedient werden. Die HMI übernimmt auch die Visualisierung und Auswertung der Prozessdaten, das Speichern von Datensätzen, die Erstellung, den Export und den Import von Hüllkurven sowie weitere Systemfunktionen. Die intuitive Bedienoberfläche ermöglicht zum einen, dass der Bediener sozusagen ohne aufwendige Schulung direkt starten kann, und zum anderen Inbetriebnahmen via Fernwartung.

Aufgrund der Covid-19 Pandemie erfolgten sowohl Inbetriebnahme des Systems als auch das Einstellen des Schweißprozesses für die Produktion der Hydragen HG1-Einheit remote. Ein Techniker von Evosys Laser arbeitete von Deutschland aus mit dem zuständigen Techniker bei Dynacert in Kanada zusammen, um der Anlage innerhalb von kürzester Zeit eine reibungslose Produktion zu ermöglichen.