Laser kommen für Customcells für viele Anwendungen infrage – vom Elektroden-Schneiden, Labelling, Messen, Schweißen von Zellableitern (Tabs) bis hin zur Analyse

Laser kommen für Customcells für viele Anwendungen infrage – vom Elektroden-Schneiden, Labelling, Messen, Schweißen von Zellableitern (Tabs) bis hin zur Analyse. (Bild: Customcells)

Ein Tausendsassa ist der Laser beispielsweise für die Customcells Holding GmbH aus Itzehoe, einer Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie ISIT. Der Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien nutzt den Laser unter anderem zum Elektroden-Schneiden, Labeling, Messen, Schweißen von Zellableitern (Tabs) und zur Analyse.

Gezieltes Laser-Trimmen erhöht die Leitfähigkeit

Besonders bewährt hat sich der Laser beim Strukturieren: Customcells brennt in sehr dick beschichtete Elektroden Kanäle, um die Porosität so zu steuern, dass sich die Transportwege für den Strom verkürzen und die Zellen trotz einer hohen Beladung eine gute Ratenfähigkeit besitzen. Dieser Fachbegriff gibt an, wie schnell sich eine Batterie komplett laden oder entladen lässt. Cheftechnologin Daniela Werlich erklärte dazu auf dem virtuellen 4. Lasersymposium Elektromobilität LSE’22: „Dick beladene Schichten lassen sich mit dem Laser gezielt trimmen, um optimale Leitfähigkeiten zu erhalten.“

Echtes Neuland in Sachen Laserschweißen betrat die ESS-Fabrik (Energy Storage System) der ABB Schweiz AG in Baden, die Batterien für Schienenfahrzeuge und Elektrobusse herstellt. Den Laserschweißprozess entwickelten Julia Braun, Teamleiterin Produktionsentwicklung, und Bastian Wittwer, R&D Senior Engineer an. Keine leichte Aufgabe, denn die Anforderungen sind deutlich höher als beim Elektroauto.

Neues Batteriedesign für E-Busse

„E-Busse wiegen das Fünf- bis Siebenfache von einem Auto und die sogenannten Traktionsbatterien müssen dementsprechend ungefähr das zwölffache an Energie zur Verfügung – etwa 300 Kilowattstunden – stellen“, rechnet Wittwer vor. „Einer der wichtigsten Unterschiede ist jedoch die Lebensdauer. Traktionsbatterien für öffentliche Verkehrsmittel müssen bis zu 100.000 Stunden betriebsbereit sein.“ Eine E-Bus-Batterie muss also 20 Mal länger als der Energiespeicher eines E-Autos halten. Die Herausforderung für den Laser lautet daher: Er muss für eine sehr zuverlässige mechanische und elektrische Anbindung des ein Millimeter dicken Zellverbinder mit den Polen der Batteriezelle sorgen.

Gefragt ist eine sehr hohe Schweißqualität, die mindestens zehn Jahre lang die erhöhten Anforderungen an die mechanische und elektrische Anbindung garantiert. Bei der Analyse von über 1.000 Versuchsschweißungen fand das Team die Parameter, welche die Schweißqualität nachhaltig beeinflussen: Dazu zählen Laserleistung, Wobblingfrequenz und Schweißgeschwindigkeit. Nicht zu unterschätzen waren aber auch die externen Einflüsse wie etwa die Wahl des Lieferanten oder der Fertigungsprozess der Zellverbinder. Mit Hilfe dieser Daten entstand ein Parameterset für den Schweißprozess.

Eine Million gute Laserschweißungen

Ebenso akribisch arbeiten die Schweizer nun nach Entwicklung des prozesssicheren Schweißverfahrens: Auf dem Prüfplan stehen monatliche Schweißtests mit Dummyzellen und die tägliche Überprüfung jedes Schweißprozesses: Ein Messsystem erfasst die Reflexion des Lasers, um Abweichungen zu erfassen. Julia Braun: „Wir erkennen nicht nur zuverlässiger Fehler, sondern können auch ausschließen, dass jemand nach der hundertsten Schweißung einfach nicht mehr so genau hinsehen kann. So gelang es uns, einen stabilen Laserschweißprozess mit bald mehr als einer Million i.O.-Schweißungen zu installieren.“

Messtechnik spielt auch in Stuttgart bei der Mahle GmbH eine sehr wichtige Rolle. Es handelt sich um eine typische Aufgabenstellung in der Elektromobilität: Das Verbinden von Kupfer mit Stahl. Konkret galt es, ein 0,5 Millimeter dickes Kupferblech reproduzierbar und prozesssicher mit einem 0,3 Millimeter dicken Stahlwerkstoff zu verschweißen.

KI soll das Analysieren automatisieren

Die unterschiedlichen Möglichkeiten des gasdichten Laserschweißens erklärt Trumpf Kunden mit Hilfe eines Demonstrators
Leckagefrei: Die unterschiedlichen Möglichkeiten des gasdichten Laserschweißens erklärt Trumpf Kunden mit Hilfe eines Demonstrators. (Bild: Trumpf)

Der Automobilzulieferer verwendet zwar sonst Infrarot-Faserlaser, stieg für diese Kupfer-Stahl-Verbindung jedoch auf ein grünes Lasersystem von Trumpf um. Dabei wurde Neuland beschritten. „Wir mussten viele Punkte strukturiert erarbeiten“, sagte Mahle-Entwicklungsingenieur Johannes Gaigl. „Große Herausforderungen sind das Sicherstellen der Teilequalität vor dem Schweißen und der Aufbau von Konzepten für die Qualitätssicherung. Hier ist unbedingt zu prüfen, ob man das richtige Sensorsystem zum Detektieren der Fehlstellen einsetzt.“

Der Automobilzulieferer beschäftigt sich außerdem mit dem Laserschweißen der U-förmigen Steckspulen (Hairpins), die in die Statornuten kommen. Das richtige Prozessfenster fand Mahle mit Aufnahmen einer Hochgeschwindigkeitskamera. Das Vermessen des Fügeprozess übernimmt optische Kohärenztomographie (Optical Coherence Tomography, kurz OCT). Um das zeitaufwendige Auswerten der OCT-Scans zu beschleunigen, wollen die Stuttgarter den Prozess zusammen mit dem Aachener Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT mithilfe künstlicher Intelligenz automatisieren. Eine Rolle spielt die Auswahl der richtigen Messwerte.

E-Mobilität konfrontiert Schweißexperten oft mit einem besonderen Problem: E-Fahrzeuge benötigen gas- und wasserdichte Schweißverbindungen. Wegen der starken Wärmeentwicklung etwa durch Leistungselektronik oder Ladesteuerungssysteme kommt sehr oft Wasserkühlung zum Einsatz. Sie erfordert vollkommen flüssigkeitsdichte Verbindungen, die in den meisten Produktionen Gasprüfungen bestehen müssen. Beim gasdichten Verschweißen von Aluminiumlegierungen haben sich Strahloszillation und Laserschweißen mit Zusatzdraht bewährt, die sich aber wegen der niedrigen Schweißgeschwindigkeit nicht für die Großserie eignen. Hier kommt Trumpf mit der Strahlformung mit Multikernfasern ins Spiel, mit der sich laut Mauritz Möller schneller und deutlich zuverlässiger fügen lässt.

Gas- und wasserdichte Schweißnähe gefragt

„Wir haben in den meisten Projekten mit einfacher Strahlformung zwischen fünf bis zehn Prozent Ausschuss beim Thema Dichtheit“, sagt der Branchenmanager Automotive. „Als Gegenmaßnahme kommt unsere neue MultiFokus-Optik infrage, mit der sich die Leistung maßschneidern lässt.“ Kundenprojekte ergaben laut Trumpf, dass sich mit ihr selbst mit einem Vorschub von 15 Metern pro Minute gasdichte Nähte mit einer Zuverlässigkeit von knapp unter 100 Prozent erzeugen lassen.

Aktuell arbeiten die Ditzinger an ähnlich zuverlässigen Schweißungen mit einem Fügetempo von bis zu 30 Metern pro Minute. Mit der Optik entstand eine Technologie, die den Einzelstrahl über ein Strahlteilungsmodul in vier einzelne gleiche Strahlen aufteilt. Trumpf kann dadurch die Leistung zwischen Kern- und Ringfaser variieren und maßzuschneidern.

Anders bändigt Wettbewerber Coherent aus Santa Clara seinen ARM-Faserlaser. ARM steht für „Adjustable Ring Mode“: Der Anwender kann Kern- und Ringstrahl unabhängig voneinander einstellen und mit einer Frequenz von maximal 5000 Hertz modulieren. Im Mittelpunkt steht das sogenannte Rampen: Die Leistung des Kern- und Ringstrahls lässt sich unterschiedlich schnell im Bereich von einem bis 100 Prozent hochfahren.

Ein interessantes Anwendungsbeispiel nennt Peter Kallage, Leiter des Hamburger Coherent-Applikationslabors: „Beim Schweißen von Stromabnehmern aus Aluminium können wir einen sehr stabilen, spritzerarmen Prozess aufsetzen, der statt großer Spritzerkugeln, die auf den Bauteilen einbrennen können, ein feines Spray erzeugt.“ Eines der wichtigsten Herausforderung der Elektromobilität ist die Erhöhung der Schnelllade- und Dauerlastfähigkeit der Lithium-Ionen-Batterien. Karsten Lange, Projektmanager für Batterie- und Wasserstofftechnologie am Fraunhofer ILT, empfiehlt den Einsatz eines Ultrakurzpuls (UKP)-Laser, der zusätzliche Mikroporen in die Speichermaterialien bohrt und so den Ionenaustausch erhöht: Für UKP spricht der geringe Wärmeeintag: Hitze könnte nämlich die winzigen Bohrungen verglasen, so die Porosität verringern und den Ionenaustausch bremsen.

Eine Masterarbeit am Fraunhofer ILT hat die Effizienz des UKP-Lasers mit Burst Processing noch weiter gesteigert: Dieses Verfahren zerhackt den Puls in kleinere, zeitlich aufeinanderfolgende Pulse. Erste Versuche zeigten, dass sich so der Abtrag pro Puls ohne Steigerung der Leistung verdreifachen lässt. Die Forschungsarbeit kam beim Land NRW und dem Kompentenzcluster Intelligente Batteriezellproduktion (InZePro) an: Mit ihrer Unterstützung entstand in Aachen eine Anlage, in der ein Modul mit UKP-Laser und vier gekoppelten Scannern mit 24 Teilstrahlen ein 250 Millimeter breites Elektrodenband strukturiert.

Lange: „Wir haben mit diesem weltweit ersten Multibeam-Scannermodul den Weg zur hochparallelisierten Bandbearbeitung mit UKP-Laserstrahlung geebnet.“ Das Multibeam-Scannermodul dient im Technikumsmaßstab zum Sammeln von Erfahrungen mit dem neuen Prozess. Auf Basis dieser Erkenntnisse folgt dann die Industrialisierung des nächsten Tausendsassas für die Elektromobilität.

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