Eine Illustration einer Batterie mit einem Symbol.

Die Maschinenbauer wurden von der Coronakrise hart getroffen. Die E-Mobilität könnte jedoch neue Aufträge bescheren. Bild: Shutterstock/wacomka

| von Nikolaus Fecht

Die Elektromobilität stellt hohe Anforderungen an die Fügetechnik: Plötzlich sind nämlich bei Batterien und Elektroantrieben Werkstoffe wie Kupfer oder Aluminium gefragt, die bei Verbrennern kaum eine Rolle spielen. Gängige Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von rund 1000 Nanometern eignen sich wegen der typisch niedrigen Absorptionsraten von ein bis sechs Prozent nicht immer zum Schweißen dieser Werkstoffe.

Blaues Licht erhöht Spaltbreite

Deshalb kommen zunehmend auch grüne beziehungsweise blaue Laser zum Einsatz. Die Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich zum Beispiel setzt auf direkt strahlende blaue Diodenlaser (Wellenlänge 450 Nanometer), weil sie laut Innovationsmanager Simon Britten einen höheren Wirkungsgrad als übliche grüne Laser besitzen. Das Verfahren kann Kupfer mit einer hohen Absorptionsrate von bis zu 66 Prozent schweißen.

Bewährt habe sich das Verfahren auch bei kritischen Hybridverbindungen – so hat das Unternehmen ein Verfahren zum sehr prozesssicheren und spritzerfreien Laserschweißen von Pouch-Batteriezellen entwickelt, bei dem ein 1,5-Kilowatt-Diodenlaser Kupfer mit Aluminium verbindet. Die Prozessgeschwindigkeit liegt bei 100 Millimetern pro Sekunde. Dank des blauen Lichts erhöhte sich die Spaltbreite im Vergleich zu einem Infrarotlaser von 0,3 auf 0,4 Millimeter.

Als noch interessanter bezeichnete Britten auf dem Lasersymposium Elektromobilität in Aachen das Hybridschweißen, bei dem blaue und infrarote Lichtquellen zusammenarbeiten. Die Kombination soll den Laserprozess stabilisieren, bessere Schweißqualität liefern und die Spaltbreite auf maximal 0,6 Millimeter steigern.

Bearbeitung der Fügestellen

Batterien und Elektroantriebe stellt die Firma Strama-MPS Maschinenbau aus Straubing her, die Ultra­kurzpulslaser (UKP) einsetzt, um Kontakte von prismatischen Zellen mit Aluminium- oder Kupferbändern zu verbinden. Als Problem sieht Manfred Fischer, der zuständige Produktmanager E-Mobility, die Ausdehnung der miteinander zu einer Batterie verbundenen 30 bis 50 Zellen: „Es entwickeln sich enorme Kräfte. Daher stabilisieren wir die Zellen mit Rahmen, die strukturverklebt werden.“

Die Bayern verwenden Drei-Kilowatt-UKP-Laser zum Reinigen, wobei sie dabei entstehende Aluminiumoxide und andere Kontaminierungen – etwa durch Elektrolytsalze – sehr sorgsam absaugen. Zusätzlich erhalten die geklebten Rahmen mithilfe von Acht-Kilowatt-Faserlasern Schweißnähte, die zusätzlich mit Drähten verstärkt werden. Damit eine perfekte Verbindung gelingt, müssen die Fügestellen gereinigt, entlackt oder eventuell auch aufgeraut werden.

Für alle diese Bearbeitungsgänge entwickelt die Clean-Lasersysteme GmbH aus Herzogenrath gepulste Lasersysteme. „Wir tragen Lacke und Beschichtungen mit einem sehr leistungsfähigen Laser ab, der wegen seiner kurzen Pulse von weniger als 100 Nanosekunden den Werkstoff nur sehr wenig erwärmt“, erklärte CEO Edwin Büchter.

Prozessüberwachung mit 2D-Kamera

Das aktuelle Highlight ist jedoch eine neue Anwendung für die populären Hairpins in Elektromotoren, die bisherige Wicklungen ersetzen. Die Lackierung dient dabei als Isolierung der Hairpins, die allerdings vor der weiteren Bearbeitung wie Stanzen, Schweißen oder Löten entfernt werden muss. Das geschieht idealerweise per Laser, weil dieser sauberer, präziser, schonender und mit hoher Geschwindigkeit entlackt.

Die Aufgabenstellung klang sportlich: Es sind 20 Millimeter lange Hairpin-Stellen innerhalb einer Sekunde von allen Seiten von der rund 80 Mikrometer dicken Polyamidschicht zu befreien. „Die Frage war, wie gelingt es uns, wenn wir weder den Laser noch den Draht dabei drehen können“, erklärt Büchter.

Es gelang mithilfe der selbstentwickelten WireLine-Optik, die einen Arbeitsbereich von 300 Millimetern abdeckt: Ein Strahlkompensationsspiegel sorgt dafür, dass der Weg des Lasers über die vier Teilstrahlspiegel immer gleich lang ausfällt. Eine ebenso wichtige Rolle spielt bei dem enormen Arbeitstempo von bis zu 200 Millimetern pro Sekunde die parallel ablaufende Prozessüberwachung mit 2D-Kamera, die selbst kleinste Farb­partikel in Echtzeit erkennt.

Echtzeitmessung durch zusätzlichen Laserstrahl

Einen Schritt weiter geht die IPG Laser GmbH aus Burbach, deren Tochter Laser Depth Dynamics (LDD) ein Überwachungssystem für Laserprozesse entwickelt hat. Das LDD-System speist einen zusätzlichen leistungsschwachen Laserstrahl in den eigentlichen Hauptstrahl.

Das reflektierte Licht dient zum Echtzeitmessen unter anderem von Materialhöhe, Nahtbreite, Schweißnaht und -profil. Projektingenieur Torben Mente: „LDD lässt sich sehr gut mit vielen Laserquellen, Optiken und Scanner kombinieren. Es eignet sich beispielsweise zum Erkennen der Kontamination von lasergeschweißten Batteriekontakten.“

Die Fehlerrate hänge von den Parametern ab, die der Anwender als Ausschlusskriterien festlegt. Es sei allerdings noch kein sich selbst optimierender Prozess, da es sich nicht um einen geschlossenen Regelkreis handele.

Mikrokühler senkt Gewicht und Bauraum

Ein ganz anderes Laserverfahren nutzen in Aachen die IQ Evolution GmbH und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT): Sie kombinieren ein von der IQ Evolution weiterentwickeltes 3D-Druckverfahren für Mikrokühler mit anderen digitalen Beschichtungsverfahren wie Dispensern oder Tintenstrahldruck.

Auf den per Metalldruck hergestellten Kühlkörper für eine Leistungselektronik werden eine Isolationsschicht und eine Metallisierung mit Dispenser aufgetragen und mit einem Laser ausgehärtet.

Erste Ergebnisse lassen aufhorchen: „Durch den Einsatz dieser Mikrokühler konnten wir bereits das Gewicht eines 20-Kilowatt-Hochspannungskonverters von elf auf 0,6 Kilogramm und den Bauraum von bisher rund 14 auf 0,25 Liter senken“, erläutert Thomas Ebert von IQ Evolution. „Mit dem vom ILT entwickelten Verfahren erwarten wir weitere signifikante Einsparungen von Gewicht und Volumen.“

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