SLV – Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalten
FSW-Ship – Rührreibgeschweißte Leichtbaustrukturen für Schiffsaufbauten
Die Entwicklung und der Einsatz von Leichtbaustrukturen im Schiffbau gewinnen angesichts der steigenden Materialpreise und Energiekosten sowohl für die Produktions-, als auch für die Nutzungsphase der Schiffe zunehmend an Bedeutung. Die mit den wachsenden Schiffsabmessungen insbesondere im Yachtbau, Passagier- und Fährschiffssegment verbundenen Probleme der Schwerpunktlage zwingen ebenfalls zum Einsatz leichter Materialien wie z.B. Aluminium in oberen Decksebenen (Aufbauten). Die bisher eingesetzten thermischen Fügeverfahren sind technologisch anspruchsvoll und weisen nur begrenzte Produktivitäten und hohe Aufwände für Nacharbeiten auf. Die Schnittstellen zwischen Strukturen aus Aluminium und Stahl erfordern ebenfalls aufwendige Oberflächenbearbeitungs- bzw. Fügeverfahren (Einsatz von sprengplattierten Aluminium-Stahlverbindern, z.B. TRICLAD).
Der wirtschaftliche Einsatz des Rührreibschweißens für das Fügen von Leichtbaustrukturen setzt die Identifikation der geeigneten Bereiche im Schiff voraus und erfordert die konstruktive (fertigungsgerechte) Gestaltung dieser Strukturen. Somit führt nur die Kooperation von Schiffbauern (Werften), Verfahrenstechnikern und Konstrukteuren zur Entwicklung und Anwendung von rührreibgeschweißten Strukturen im Schiffbau.
Gesamtziel des Vorhabens
Ziel des Gesamtvorhabens ist die Anwendung und die Förderung des wirtschaftlichen Einsatzes des Fügeverfahrens „Rührreibschweißen“ beim Bau von Leichtbaustrukturen für Schiffsaufbauten. Über die Betrachtung typischer Anwendungsbereiche (application cases) sollen die technische Machbarkeit und die wirtschaftliche Nutzbarkeit nachgewiesen werden. Dies betrifft sowohl die Fertigung dieser Strukturen, deren Integration (Montage) auf dem Schiff als auch deren Betriebsverhalten. Neben dem Nachweis der höheren Produktivität bei der Fertigung von Schiffsaufbauten durch den Einsatz des Rührreibschweißens als Fügeverfahren sollen ebenfalls die verbesserten Produkteigenschaften in der Betriebsphase der Schiffe aufgezeigt werden.
Die Integrationsfähigkeit von Leichtbaustrukturen aus Aluminium (Aufbauten) in den Stahlschiffskörper soll aufgrund der Verbindung unterschiedlicher Materialien mittels Rührreibschweißen verbessert werden. Gleichzeitig werden Möglichkeiten der Materialdickenreduzierung durch die höheren Festigkeitswerte rührreibgeschweißter Verbindungen ausgelotet.
Spezifische Anforderungen der Fertigung von Leichtbaustrukturen für Schiffsaufbauten an die Anlagentechnik für das Rührreibschweißen werden im Ergebnis der Vorhabensbearbeitung definiert.
Mit dem vorliegenden Vorhaben soll einerseits die Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten Partner (Werften, Ingenieurbüros) für die Konstruktion und den Bau von Schiffsaufbauten erhöht werden, andererseits auch verallgemeinerbare Ergebnisse für die Anwendung im Passagier- und Fährschiffbau weiteren deutschen Werften zufließen.
Das Gesamtziel beinhaltet somit sowohl das Produkt Schiffsaufbauten als auch deren wirtschaftliche Fertigung.
Projekt-Aufgaben der GSI SLV Berlin-Brandenburg
Leichtbaustrukturen sind im Schiffbau gefragt und unerlässlich. Die Herstellung zuverlässiger Schweißverbindungen nimmt dabei eine Schlüsselstellung ein. Die FSW-Technologie kann diesen Anspruch erfüllen. Die Vorteile und die damit einhergehenden Einsparpotenziale können an den folgenden Punkten festgemacht werden:
- Hohe und reproduzierbare Nahtgüte (keine Poren, geringe Rissneigung, geringer Verzug, geringer Festigkeitsverlust)
- Geringe Fehleranfälligkeit – hohe Prozessstabilität
- Bei entsprechender Unterlage entfällt die Nacharbeit der Nahtunterseite; die Nahtoberfläche kann eventuell ebenfalls belassen werden
- Fügen von Werkstoffkombinationen (z.B. Al/St) und nicht schmelzschweißgeeigneten Werkstoffen (z.B. AlCu, AlLi)
- Keine spezielle Nahtvorbereitung erforderlich
- Kein Zusatzwerkstoff und keine Hilfsstoffe erforderlich
- Große Wandstärken einlagig schweißbar
- Je nach Bauteilgeometrie ist ein Schweißen mit Fräsmaschinen möglich
- Mehrblechverbindungen möglich
- Keine ausgebildeten Schweißer nötig
- Keine Umweltbelastung durch Stäube, Rauche und Strahlung
Ziel des Teilvorhabens, das von der GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, Niederlassung SLV Berlin-Brandenburg bearbeitet wird, ist es, eine Erhöhung der Produktqualität bei gleichzeitiger Senkung des Fertigungsaufwandes beim Bau von Leichtbaustrukturen für Schiffsaufbauten durch den wirtschaftlichen Einsatz des Fügeverfahrens „Rührreibschweißen“ nachzuweisen. Weitere Teilziele sind die Herausarbeitung des Einsparpotenztial gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren und die generelle Anwendung des Rührreibschweißverfahren im Werftbereich zu ermöglichen. Einige Beispiele wurden schon genannt (siehe oben).
Künftig, d.h. nach diesem Forschungsvorhaben, sollten nicht mehr nur große Paneele, wie zur Zeit im Schiffbau üblich genutzt werden, es könnten danach kleinere spezielle Elemente mit dem Rührreibschweißverfahren effektiv hergestellt werden. Die GSI SLV Berlin-Brandenburg verfügt über die nötige Erfahrung und Maschinentechnik, um eine Betrachtung typischer Anwendungsbereiche, die technische Machbarkeit und die wirtschaftliche Nutzbarkeit nachweisen zu können. Dies betrifft sowohl die Fertigung solcher Strukturen, deren Integration (Montage) auf Schiffen, Einbindung in anderen Komponenten als auch deren Betriebsverhalten. Kern der Untersuchungen ist die Umsetzung der fertigungsgerechten konstruktiven Gestaltung ausgewählter Strukturen, die im Rahmen des Gesamtverhabens erarbeitet wurden.
Im Teilvorhaben der GSI SLV Berlin-Brandenburg werden typische Schiffbauprofile und deren dem Rührreibschweißen entgegenkommende Geometrien und Anwendungen untersucht. Die Schweißbarkeit eines Bauteils wird dabei durch Schweißeignung, Schweißmöglichkeit und Schweißsicherheit bestimmt. Die in den Teilprojekten der anderen Projektpartner ausgewählten Einsatzfälle der gegenwärtig verwendeten Lösungen für Leichtbaustrukturen oder auch Neukonstruktion werden hier auf ihre Rührreibschweißeignung untersucht, eventuelle Änderungen an diesen Konstruktionen werden heraus gearbeitet und damit generelle Lösungen für rührreibgeschweißte Leichtbaustrukturen aufgezeigt. Weiterhin werden durch den Bau und die Erprobung von Labormustern rührreibgeschweißter Leichtbaustrukturen wichtige Voraussetzungen für den schiffbaulichen Fertigungsprozess anhand einer Beispielstruktur (Mock-up) definiert und realisierbare Qualitäts- und Produktivitätseffekte deutlich gemacht. Im Mock-up-Programm werden die Parameterfenster für die spätere Fertigung erarbeitet.
Zusammenfassend lassen sich die Ziele des Teilvorhabens wie folgt definieren:
- Ermittlung der Machbarkeit
- Erarbeitung der Prozess-Parameter
- Bewertung der rührreibgeschweißten Verbindungen durch zerstörungsfreie und zerstörende Untersuchungen.
Bezug des Vorhabens zu den förderpolitischen Zielen
Die GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, Niederlassung SLV Berlin-Brandenburg versteht ihre Arbeit innerhalb dieses Forschungsvorhabens als effektiven und notwendigen Beitrag die deutsche Werftindustrie in die Lage zu versetzen leistungsfähiger, kostengünstiger und damit gegenüber der ausländischen Konkurrenz (z.B. Asien), wettbewerbsfähiger zu werden. Dazu gehören auch:
- Bessere Umweltverträglichkeit
- Einsparung von Energie
- Einsparung von Ressourcen
- Sicherung von Arbeitsplätzen in Deutschland
Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele
Dieses Teilvorhaben folgt den Zielen des Verbundvorhabens. Folgende wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele werden mit der Bearbeitung dieses Teilvorhabens angestrebt:
- Erhöhung der Produktivität bzw. Reduzierung der erforderlichen Nacharbeiten auf Grundlage von optimierten Werkzeugen und Prozessparameter.
- Ermittlung der erforderlichen Parameter zum Fügen der ausgewählten Leichtbaustrukturen durch die Herstellung und Erprobung von Labormuster. Die Erprobung erfolgt mit allen gängigen Prüfverfahren bis hin zu Untersuchungen unter maritimen Gesichtspunkten.
- Erarbeitung von Optimierungsvorschlägen für die Konstruktion, Ableitung des Fertigungsaufwandes, Herstellung von Mock-ups.
Eigene Verwertung
Im Ergebnis des Forschungsprojektes erhalten die beteiligten Unternehmen einen Zugang zur FSW-Technologie. Für die GSI SLV Berlin-Brandenburg erschließen sich durch die Umsetzung der technischen und technologischen Innovationen neue Geschäftsfelder. Die Aktivitäten der GSI SLV Berlin-Brandenburg können auf dem maritimen Bereich ausgeweitet und neue Kunden gewonnen werden. Weiterhin wird die fachliche Kompetenz hinsichtlich des FSW-Schweißens vertieft, das vorhandene technologische Wissen kann erweitert werden und in anderen Aufgabenstellungen genutzt werden. Diese sind z.B.:
- Gestaltung von Werkzeugen
- Anforderungen an Werkzeuge in Abhängigkeit der Fügeaufgabe
- Zusammenhang von Schweißnahtgeometrie und Schweißnahtqualität
Start des Projektes war der 01.12.2010, Ende der Laufzeit wird der 30.11.2012 sein. Die Zusammenarbeit mit den Projektpartnern soll aber über den Projektzeitraum hinaus erhalten bleiben, um weitere fügetechnische Probleme zu erkennen und diese mit dem FSW-Prozess in weiterführenden Projekten bearbeiten zu können.