Was können Experten für Laserschweißen von Herstellern elektrischer Schneemobile lernen? Wie sich herausstellt: Eine ganze Menge. (Bild: Aurora Powertrains)
Einer der wahrscheinlich kleinsten und sicherlich coolsten Fahrzeughersteller der Welt sitzt hoch im arktischen Norden Finnlands. Aurora Powertrains Oy aus Rovaniemi hat mit gerade einmal fünf Mitarbeitern mit dem eSled eines der weltweit ersten elektrischen Schneemobile entwickelt. Es wiegt bis zu 270 Kilogramm und fährt mit einer Ladung je nach Batterieleistung (Energiekapazität: 7 bis 21 kWh) 40 bis 100 Kilometer weit. Auffallend hoch ist mit mehr als 190 Wh/kg die sehr hohe Energiedichte der selbst entwickelten wasser- und staubdichten Batterie mit IP67-Klassifizierung. Der modulare, skalierbare Energiespeicher verfügt über eine integrierte Heizung und ein ebenfalls selbst entwickeltes Batteriemanagementsystem, mit dem - so die Homepage – „der letzte Funke aus der Batterie herausgequetscht werden kann“.
Vom Schneemobil ins Boot und Offroad-Fahrzeug
Da der Platz für den effizienten Einsatz von Ultraschallschweißgeräten nicht ausreichte und das Verfahren mehr vertikalen Raum benötigt hätte, ließ Aurora am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen ein maßgeschneidertes Laserschweißsystem entwickeln. Details zum Verfahren möchte Firmengründer und CEO Matti Autioniemi nicht nennen. Es war aber anscheinend erfolgreich, denn für das Konzept interessieren sich wegen der extrem hohen Energiedichte und der IP67-Klassifizierung bereits einige Unternehmen. „Derzeit entwickeln wir Konzepte für ein finnisches Elektrobootunternehmen und ein spezielles Geländewagenprojekt, dessen Batterie für 120 kWh ausgelegt ist", erklärt Autioniemi.
Ein Batteriekonzept stellte auf dem 5. Lasersymposium Elektromobilität LSE in Aachen auch Development Engineer Frank Süßemilch von der Kautex Textron GmbH & Co. KG aus Bonn vor: Es besitzt ein thermoplastisches Gehäuse mit integriertem Zwei-Phasen-Immersions-Kühlsystem, dank dem sich die Batterie ohne extreme Erhitzung bis zu doppelt so schnell wie übliche Akkus laden lassen soll. Eine wichtige Rolle spielt die sehr effiziente Energieübertragung über Stromsammelschienen, die ein in Aachen entwickeltes Laserschweiß-Verfahren mit den Zellen verbindet. Zwar sei laut Süßemilch Laserschweißen teurer als das sonst übliche Drahtbonden, aber es füge präziser und schneller, erlaube gezielte Prozessregelung und eigne sich wegen der niedrigen Taktzeiten für den Großserieneinsatz. Den Laserschweißprozess unterstützt auch die Kunststoffbauweise, die das Kurzschlussrisiko während der Produktion deutlich senkt. Seinen ersten Testeinsatz hat die neue Batterie in einem Golfcar von Textron Specialized Vehicles.
Lasertrocknung: Gasöfen passé?
Der Laser erobert Schritt für Schritt viele weitere Bereiche der E-Auto-Produktion – etwa bei der Oberflächenbehandlung, Reinigung oder der Entfernung von Isolationsschichten. Aktuell im Kommen ist der Laser zum Erhöhen der Batterieleistungsdichte mit Hilfe von Oberflächen, die mit Ultrakurzpulslasern gezielt strukturiert werden, und zum Trocknen der Elektrodenpaste. Üblich sind hier sonst rund 100 Meter lange Konvektionsöfen, die bisher fast ausschließlich mit Gas beheizt werden. Die Alternative entsteht im IDEEL Forschungsprojekt (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) unter Führung der Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich.
Den Projektteilnehmern gelang es erstmals, die Elektrodenpaste auf Anoden und Kathoden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit dem Laser zu trocknen. Auf der LSE berichtete Laserline-Manager Mathias Schlett vom Einsatz von Infrarot-Diodenlasern (45 kW Leistung), mit denen sich der Energieverbrauch extrem senken lassen soll. Experten rechnen mit einer Ersparnis von 50 bis 85 Prozent. Für den Lasereinsatz spricht aber auch, das sich mit deutlich kleinerer Anlagentechnik das Trockentempo verdoppeln lässt. Als bald erreichbare Zielgröße visieren die Projektteilnehmer eine Bandgeschwindigkeit von 30 Metern pro Minute an.
Alle beobachten Laser-Prozess, nur wenige regeln ihn
Doch ob Trocknen, Schweißen oder Reinigen: Der Erfolg der Lasertechnik steht und fällt der Prozessüberwachung, bei der manche auf sehr aufwendige Verfahren wie optische Kohärenztomographie (OCT) setzen. „Das Problem ist, dass alle nur den Prozess beobachten und nur sehr wenige ihn regeln – und wenn, dann nur von Prozess zu Prozess. Im Kommen sind Multisensor-Anwendungen, um oft an vielen Stellen jede Menge Messsignale zu erhalten“, erklärt Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und Trennen am Fraunhofer ILT. „Ich bin mir allerdings sicher, dass da kein Messverfahren das Rennen macht, sondern dass es auf die anschließende intelligente Auswertung ankommt.“
