Keramik statt Stahl

Keramik - Eigentlich fühlt sich die Schweißtechnik dem Stahl verpflichtet. Doch wo es besonders hart hergeht in automatisierten Schweißstraßen, setzen Automobilhersteller und Zulieferer im Karosseriebau häufig auf Keramik. Aus guten Gründen!

30. Mai 2007

Wenn Bleche automatisiert geschweißt werden, dann sind die Vorrichtungen harten Beanspruchungen ausgesetzt. Das gilt vor allem für die Positionierstifte, die die Bleche in der richtigen Position halten, sowie für die Schweißzentrierstifte, die in großer Anzahl zum Beispiel beim Buckelmutter-Schweißen eingesetzt werden.

Hartmetall nicht zufriedenstellend

Diese Komponenten sind zwar klein und im Vergleich zur gesamten Anlage unscheinbar, aber sie tragen wesentlich zur Qualität des Schweißprozesses und letzten Endes zur fertigen Blechkonstruktion bei. Denn je exakter die Teile positioniert und die Schweißpunkte gesetzt werden, desto maßgenauer kann man fertigen. Für den Automobilbau bedeutet das: Eine hochwertige Karosserie mit möglichst geringen Toleranzen und Spaltmaßen setzt höchste Qualität und Dauerbelastbarkeit der Positionier- und Zentrierstifte im automatisierten Schweißprozess voraus.

Unter diesem Aspekt sind die bislang verwendeten Stifte aus Hartmetall nur eine unbefriedigende Lösung. Denn trotz der Härte des Werkstoffes kommt es sehr schnell zu Abrieb oder zu Deformationen des Stiftes - mit der Folge, dass die Schweißpunkte nicht mehr exakt gesetzt werden können, wenn der Abrieb vorherrscht, oder aber die Anlage zum Stillstand kommt, wenn die Deformation überwiegt und das Blech nicht mehr über den Zentrierstift rutscht. Hinzu kommt gerade bei den Zentrierstiften ein weiteres Problem: An dem Metall lagern sich Schweißspritzer an, die ebenfalls die Form der Stifte verändern und sowohl zu ungeplantem Anlagenstillstand als auch zu Qualitätseinbußen bei den geschweißten Produkten führen. Die Folge: Die Stifte müssen häufig gewechselt werden - das treibt die Prozesskosten in die Höhe. Dabei sind neben den reinen Teilekosten auch die Stillstandszeiten zu berücksichtigen, die durchaus beachtlich sind, denn große Werke der Automobilindustrie und ihrer Zulieferer verschleißen pro Jahr Zentrier- und Positionierstifte in sechsstelliger Stückzahl.

All diese Probleme kann man lösen, indem man Positionier- und Zentrierstifte aus der blauen Hochleistungskeramik Cerazur® einsetzt (Bild 1). Vorbehalte, die der Konstrukteur eventuell gegenüber der Keramik hat, sind hier gänzlich unangebracht. Denn konventionelle Keramik wäre für diesen Anwendungsfall in der Tat völlig unangebracht, da sie zwar sehr widerstandsfähig gegenüber Abrasion und somit sehr verschleißfest ist, zugleich aber extrem spröde und somit anfällig gegenüber Stoß- und Schlagbelastungen. Genau mit dieser Art von Belastung hat man es bei Positionierund Zentrierstiften zu tun, und Cerazur® ist exakt für diesen Anwendungsfall entwickelt, weil es schlagzäh ist.

Verblüffende Schlagzähigkeit

Diese Eigenschaft verblüff t selbst Werkstoff - und Keramik-Experten, und die Ingenieure bei Doceram werden immer wieder mit Interessenten konfrontiert, die die blauen Keramikstifte wiederholt mit aller Kraft auf den Steinboden werfen oder sie mit dem Hammer traktieren - was aber nur dazu führt, dass die Werkbank beschädigt wird. Aber nicht nur die Schlagzähigkeit führt dazu, dass die Standzeit der Keramikkomponenten in dieser hochbeanspruchten Anwendung deutlich höher ist als die von Hartmetallstiften. An der Keramik lagern sich auch sehr viel weniger Schweißspritzer an, und diejenigen, die sich anlagern, können mit geringem Aufwand wieder entfernt werden. Zudem kann man auf zusätzliche Komponenten für die elektrische Isolierung verzichten: Die Keramik bringt selbst die nötige elektrische Isolierwirkung mit. Diese Eigenschaften sind so vorteilhaft, das Doceram sukzessive ein komplettes Programm an Schweißtechnik-Komponenten entwickelt hat, das kontinuierlich erweitert wird. Das Unternehmen bietet ein umfassendes Spektrum an sofort verfügbaren Positionier- und Zentrierstiften nach gängigen Werksnormen - eine übergreifende Standardisierung ist zwar aus Sicht von Doceram wünschenswert, aber zurzeit nutzt jeder Hersteller eigene, interne Normung.

Zum Schweißtechnik-Programm gehören modular aufgebaute Schweißelektroden, die aus einer Basiselektrode, einer aufgeschraubten Wechselelektrode und einem Keramik-Zentrierstift aus Cerazur bestehen. Durch diverse Optionen wie einer Zufuhr für die Wasserkühlung kann die Elektrode optimal an den Anwendungsfall angepasst werden - und beim (seltenen) Verschleiß muss man nur die Wechselelektrode abschrauben und ersetzen. Das macht die Entscheidung für die Komplettelektroden mit Cerazur-Stift einfacher. Doceram gibt für die Positionier- und Zentrierstifte sowie die Komplettelektroden mit Cerazur-Stiften eine etwa 25- bis 30-fach längere Standzeit an - und die Anwender bestätigen diese Aussage. So hat ein Automobilhersteller in einer Schweißvorrichtung nur auf einer Seite Doceram-Komplettelektroden mit Cerazur- Stift eingebaut, auf der anderen Seite blieb man bei konventionellen Elektroden mit Stahlstiften.

Nach neun Monaten hatte man 25-mal die komplette Stahl- Elektrode ausgetauscht, aber noch die erste Cerazur-Elektrode im Einsatz. Nach weiteren drei Monaten wurde erstmals die Kupfer- Wechselelektrode getauscht, aber der Cerazur-Stift und die Basiselektrode sind bis heute im Einsatz.

25- bis 30-fach höhere Standzeit

Die Erfahrungen eines anderen Automobilherstellers sind ähnlich: Die Standzeit der Cerazur- Zentrierstifte ist hier 20 bis 30- mal höher als die von Stahlstiften. Außerdem erzielte der Hersteller eine Qualitätsverbesserung im Karosserierohbau, weil die Stifte formstabil bleiben und die Muttern und Bolzen, die mit den Blechteilen verschweißt werden, stets exakt positioniert sind. Ein Automobilzulieferer berichtet, dass die Cerazur-Stifte an einer Buckelschweißanlage auch nach 750.000 Schweißzyklen keine Verschleißerscheinungen aufweisen. Ein weiterer Zulieferer sieht neben den höheren Standzeiten auch den Vorteil der vereinfachten Reinigung: Weil die Schweißspritzer von der Keramik problemlos abgewischt bzw. abgebürstet werden, beeinträchtigen sie nicht die Form der Stifte und damit die Positioniergenauigkeit.

Mit diesen Eigenschaften amortisieren sich die Cerazur-Positionier- und Zentrierstifte schon dann, wenn man nur die Anschaffungskosten betrachtet.

FAKTEN

¦ Inzwischen fertigt Doceram auch andere Komponenten für die Blechbearbeitung aus Cerazur und anderen Hochleistungs-Keramiktypen.

¦ In Kooperation mit Dotherm werden Baugruppen gefertigt, die verschleißbeständig sind und die thermische Isolierwirkung erfüllen.

Stefan Veltum, Doceram GmbH

Erschienen in Ausgabe: 04/2007