El FSW robótico causa revuelo en la eficiencia de la producción de vehículos eléctricos

Existen máquinas dedicadas exclusivamente a la soldadura por fricción-agitación (FSW), mientras que otras combinan FSW con el mecanizado CNC sustractivo convencional. Robotic FSW es ​​una versión ligeramente diferente de la tecnología; Incorpora robot de 6 ejes, fijación adaptativa y software específico. Estos sistemas son comparativamente compactos y, lo más importante, proporcionan más flexibilidad en términos de tamaños y configuraciones de piezas de aplicación que las otras formas de la tecnología mencionada.

Las herramientas son sencillas con el FSW robótico y los accesorios se pueden adaptar para maximizar la versatilidad y accesibilidad a las piezas de trabajo. Debido a que las piezas de trabajo no tienen que ingresar a una máquina, la carga/descarga es más simple y el robot puede acceder al trabajo desde múltiples lados y ángulos. No es necesario escalar un sistema robótico con la adquisición de otra máquina; los talleres simplemente agregan un robot o accesorios adicionales para adaptarse a mayores niveles de producción.

Debido a todos sus beneficios, el FSW robótico está desempeñando un papel clave en el mercado de vehículos eléctricos (EV) en rápido crecimiento. Una aplicación importante es la unión de piezas fundidas, extrusiones y láminas de aluminio para fabricar conjuntos como bandejas de baterías.

Las bandejas contienen las baterías del EV y también sirven como elementos estructurales del vehículo. Además, una bandeja de batería suele tener canales de refrigeración que deben ser a prueba de fugas. En los vehículos estilo sedán, las bandejas son grandes, normalmente de unos 2 metros de largo o más dentro de la distancia entre ejes, al tiempo que amplían el ancho del vehículo. Una bandeja típica puede consistir en una fundición inferior con canales para refrigerante y contención para baterías con una placa de aluminio soldada en la parte superior para sellarla.

Para este proceso, KUKA Robotics ha diseñado sus módulos KUKA cell4_FSW para proporcionar hasta un 95 por ciento más de eficiencia en el proceso y maximizar las opciones de configuración disponibles para los fabricantes de vehículos eléctricos. La eficiencia de la célula resulta de dos estaciones de trabajo ubicadas en áreas de inserción separadas.

Utilizadas para tareas de soldadura 2D y 3D, las celdas son escalables y admiten uno o dos robots de 6 ejes. Los talleres pueden disponer varias herramientas de sujeción de piezas de trabajo en el área de trabajo de la celda para que los robots puedan trabajar simultáneamente en componentes más grandes si es necesario.

Patentado en 1991 por The Welding Institute, Cambridge, Inglaterra, FSW ofrece una variedad de ventajas en comparación con los métodos de soldadura tradicionales. El FSW, un proceso a baja temperatura (normalmente menos de 500 grados C en el aluminio), minimiza la distorsión y las tensiones residuales en las piezas de trabajo, al tiempo que mejora el rendimiento ante la fatiga y causa poca o ninguna alteración de la microdureza del material.

FSW facilita la soldadura de piezas largas y delgadas y es especialmente adecuado para unir metales no ferrosos con una temperatura de fusión baja, así como para uniones de materiales mixtos como aluminio con magnesio, cobre o acero. Debido a que el material de trabajo nunca se funde, las soldaduras resultantes no sufren porosidades ni grietas relacionadas con la solidificación. A diferencia de las soldaduras convencionales que utilizan material de relleno, como varilla o alambre, la unión FSW no tiene fases no deseadas resultantes de una mezcla de metal de relleno y base. Desde el punto de vista de la sostenibilidad, las temperaturas más bajas consumen menos energía y el proceso no genera vapores ni humo, es silencioso y no requiere consumibles de gas ni cables.

Al soldar, el robot empuja el pasador metálico giratorio FSW a través de las piezas de trabajo manteniendo tolerancias estrictas y una alta precisión. Como resultado, un robot FSW tiene que ser lo suficientemente rígido y potente para generar y controlar fuertes fuerzas verticales y transversales, así como el par.

Para su célula, KUKA emplea su robot KR 500 FORTEC, aplicable también para operaciones de mecanizado pesadas como fresado y taladrado. El robot, con una carga útil nominal de 500 kg, pesa aproximadamente 2.400 kg y tiene una superficie de trabajo de 1.050 mm por 1.050 mm. El engranaje adicional en los primeros tres ejes permite al robot generar y manejar hasta 10.000 N (1.000 kg) de fuerza, con una repetibilidad de postura de +/- 0,08 mm.

La capacidad de un robot para coordinar el movimiento con múltiples ejes le permite soldar contornos complejos, lo que refuerza su utilidad y flexibilidad en FSW. Generalmente, unir dos piezas requiere herramientas para abordar el trabajo en dirección perpendicular. Si la pieza no es plana, la capacidad del robot para moverse en seis grados de libertad acelera la fijación y el acceso a la pieza. Cuando una pieza tiene un labio que se extiende sobre la otra, o si hay variaciones en la unión resultantes de un proceso de extrusión o fundición, un escáner como los utilizados en la soldadura convencional puede rastrear la costura, detectar diferencias de altura entre las piezas y guiar el camino del robot.

Los métodos de soldadura convencionales se pueden adaptar para introducir más metal en una costura si el espacio varía significativamente. Por otro lado, la FSW no es tan indulgente como la soldadura convencional debido a los altos requisitos de tolerancia de las piezas. Sin embargo, KUKA puede analizar las piezas, desarrollar las herramientas y establecer requisitos de tolerancia adecuados para un proyecto específico.

La herramienta giratoria FSW consta de un vástago con un pasador sobresaliente rodeado por un hombro radial extendido. En algunos diseños de herramientas, el pasador y el hombro giran juntos, pero KUKA utiliza una herramienta FSW con hombro estacionario (SSFSW) porque el enfoque tiende a poner menos calor en el proceso y, por lo tanto, minimiza la deformación del resultado soldado. El diseño ayuda a soportar la costura y controlar las fuerzas de soldadura, y puede mejorar el acabado superficial de la costura completa.

Para una guía de soldadura precisa, el software KUKA FSW proporciona una precisión de posicionamiento de hasta 0,5 mm con calibración de trayectoria asistida por láser para compensar las desviaciones de trayectoria causadas por la variación de la rigidez en la zona de trabajo y las fuerzas del proceso. Mientras el robot funciona, el software de control y documentación de procesos (PCD) de KUKA proporciona monitoreo y documentación del sistema en tiempo real con controles de monitoreo numéricos y gráficos que registran todos los parámetros de soldadura para FSW de trayectoria continua. Los resultados son consistentemente confiables y reproducibles.

La velocidad con la que se está produciendo actualmente el desarrollo de los vehículos eléctricos significa que se están poniendo en servicio muchas tecnologías para acelerar la producción y mejorar la precisión. FSW en configuraciones como la que se describe aquí sin duda jugará un papel importante.

Robótica KUKA, www.kuka.com