Kommen Stromleitungen künftig aus dem 3D-Drucker?

Eine zentrale Rolle in der Elektromobilität spielen Stromleitungen (Busbars), die neben der Energieübertragung auch Vibrationen dämpfen, Wärme abführen und Sensoranbindungen erleichtern. „Mit unseren neuen Fertigungskonzepten erweitern wir nicht nur die Funktionalität, sondern steigern auch Nachhaltigkeit und Langlebigkeit der Stromleiter“, erklärte Johanna Helm, Technical Specialist bei der Aachener FEV GmbH im Rahmen des Laser Symposium Electromobility beim Fraunhofer ILT in Aachen.  

Besonders vielversprechend sind 3D-gedruckte Busbars aus Aluminium (AlSi10Mg) oder reinem Kupfer, gefertigt mit Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Während AlSi10Mg eine gute Balance zwischen Leitfähigkeit und Festigkeit bietet, zeichnet sich Kupfer durch eine hohe Leitfähigkeit aus. LPBF ermöglicht komplexe Geometrien mit Kühlkanälen und flexiblen Strukturen. Konventionelle Busbars profitieren von einem Second-Life-Konzept: Defekte Verbindungen werden gelasert und ersetzt.

In Aachen präsentierte Held dazu Untersuchungsergebnisse mit einem TruDisk 4001 Laser. Optimale Werte erzielte man bei 2000 Watt Leistung und 625 mm/s Vorschub. Die elektrischen Widerstände lagen zwischen 54,9 und 61,0 µΩ. Diese Entwicklungen verbessern Reparaturfähigkeit, Recycling und Moduldichte und steigern die Effizienz von Batteriesystemen erheblich.

Mischverbindungen sind bei Busbars an der Tagesordnung. Auf das BrightLine Mode-Verfahren setzt Laserhersteller Trumpf: Ein zusätzlicher Ringstrahl stabilisiert die Öffnung des Keyholes und reduziert so Spritzer, Poren sowie Abweichungen bei den Einschweißtiefen. Experimente mit 2in1-Laser mit Single-Mode Kern ergaben beim Schweißen von 0,5 mm dicken Kupfer- (Cu-ETP) und Aluminium-Stromleitungen (Al 1000) auf Hilumin, dass sich die Schweißgeschwindigkeit gegenüber Single Mode um 56 Prozent (Cu-Hilumin) und 22 Prozent (Al-Hilumin) steigern lässt. Der sogenannte Joining-Rate-Wert, der die Verbindungsfläche pro Zeiteinheit beschreibt, erhöhte sich um 117 Prozent für Cu-Hilumin und um 34 Prozent für Al-Hilumin.

Feste Verbindungen auch bei Alu-Stromleitungen

Während der Energiebedarf bei Kupfer-Hilumin-Verbindungen mit BrightLine Mode ansteigt, bleibt die Effizienz bei Aluminium-Stromleitungen stabil. Es gibt keine großen Unterschiede in Bezug auf die Festigkeit der Schweißverbindungen.

„Die Stabilisierung des Schmelzbades ist entscheidend, um Defekte wie Spritzer und Poren zu minimieren und eine konstante Einschweißtiefe zu gewährleisten“, erklärte Alessia Riccio, R&D Application E-Mobility bei der Laser- und Systemtechnik SE aus Ditzingen. Die Analyse der Schweißnahtgeometrie zeigte eine glattere Oberfläche und geringere Breiten- sowie Tiefenschwankungen mit BrightLine Mode, wodurch höhere Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit erreicht werden.

Wenn die Vakuumkammer aus dem 3D-Drucker kommt

Andere Wege beim Schweißen von Mischverbindungen geht die Lava-X GmbH, Herzogenrath. Das Unternehmen setzt auf Vakuumlaserschweißen für hochleitfähige Aluminium-Kupfer-Verbindungen in Batteriesystemen. Dafür entstand LaVaClamp, eine lokal wirkende Vakuumkammer aus dem 3D-Drucker. „Das System ermöglicht eine präzisere Prozesskontrolle und reduziert die Bildung spröder Phasen“, erklärt Benedikt Gerhards, Abteilung Forschung und Entwicklung bei Lava-X.

Tests mit Aluminium EN AW und Elektrolyt-Kupfer zeigten hohe mechanische Festigkeiten von bis zu 115 N/mm². Die Technologie senkt Energieverluste und optimiert die thermische Belastung der Zellverbindungen – ein Vorteil bei 800-Volt-Systeme. Dank additiver Fertigung kann die Klemmgeometrie flexibel angepasst werden. Das skalierbare Verfahren ermöglicht laut Gerhards künftig größere Materialstärken und macht das Vakuumlaserschweißen zu einer wirtschaftlichen Alternative für die Batterieproduktion.

Eine sehr wichtige Aufgabe in der Elektromobilität übernehmen Batteriekühler, da sie Überhitzung verhindern und die Batterielebensdauer verlängern. Civan Lasers optimiert ihre Fertigung mit dynamischer Strahlformung beim Hochgeschwindigkeits-Laserschweißen. „Mit 30 m/min Vorschub erreichen wir eine porenfreie Schweißnaht, die herkömmliche Lötverfahren in Effizienz und Kosten übertrifft“, erklärt Hannes Büttner, Projektingenieur bei Civan Lasers Europe GmbH, Hannover. Statt eines statischen Brennflecks erzeugt die Technologie eine dynamische Ellipse mit 100 kHz Frequenz und 25 Punkten (400 ns Verweilzeit), was die Wärmeverteilung optimiert und mechanisch belastbare Verbindungen schafft.

Porosität passé

Zwei Clamping-Masken für Kontur und Innenlinien sowie eine spezielle Gasverteilung stabilisieren den Prozess. Eine Brennweite von 1,5 m und ein 85 µm Spot sorgen für Präzision. Im Vergleich zur Vakuumlötung sinkt der Energieverbrauch von 4 MW auf 0,5 MW, der Platzbedarf von 800 m² auf 25 m². Bersttests belegen eine Dichtheit bis zwei bar. Die Technologie eignet sich für Batteriekühler aus Aluminium 5754 (1 mm Top-Sheet, 2 mm Base Sheet), Aluminium-Druckguss mit keinerlei Porosität und Kupferschweißen bei 1064 nm Wellenlänge.

Hohes Tempo kennzeichnet auch eine umweltfreundliche Methode zum Trocknen von Lithium-Ionen-Batterieelektroden, die Delil Idris Demir, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT, dem Veranstalter der LSE'25, vorstellte: Konventionelle Trocknungsmodule sind groß und erzeugen erhebliche Abwärme. Die Laser-Trocknung reduziert den Energieverbrauch um über 12 Prozent, arbeitet vollständig elektrisch und ermöglicht Bahngeschwindigkeiten von über 80 m/min. „Die Kombination aus Ofen- und Laser-Trocknung könnte eine Lösung für industrielle Geschwindigkeiten sein“, so Demir. Erste Tests mit 6 kW-Diodenlasern zeigen, dass kontrollierte Energieeinbringung mechanische Eigenschaften verbessert und Defekte minimiert.