Manz AG

Harmonische Verbindungen halten deutlich länger

| Autor / Redakteur: Stefan Richter / Peter Königsreuther

Der Hightech-Maschinenbauer Manz automatisiert die Massenfertigung von Lithium-Ionen-Batterien mit seiner flexibel konfigurierbaren Laserbearbeitungsstation BLS 500. Die Anlage beherrscht auch verschiedene neuentwickelte Laserschweißverfahren.
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Der Hightech-Maschinenbauer Manz automatisiert die Massenfertigung von Lithium-Ionen-Batterien mit seiner flexibel konfigurierbaren Laserbearbeitungsstation BLS 500. Die Anlage beherrscht auch verschiedene neuentwickelte Laserschweißverfahren. (Bild: Manz)

Lithium-Ionen-Batterien treiben E-Mobile und Akku-Werkzeuge an. Die sichere Verbindung hochleitfähiger Metalle ist dabei der Schlüssel für schnelle Ladezeiten und mehr Leistung. Automatisiertes Laserschweißen optimiert nun die Batteriefertigung.

Manche tun sich schwer mit dauerhaften Beziehungen. Das betrifft Menschen und auch Metalle: Kupfer und Aluminium zum Beispiel gelten in der Branche als vielversprechend, weil sie leichter und leitfähiger als Stahl sind. „Wenn die Batteriehersteller höhere Lade- und Entladeströme erreichen wollen, kommen sie um Alu und Kupfer für die Ableiterkontakte nicht herum“, erklärt Sascha Gaiser, Leiter des Laser-Kompetenzzentrums bei der Manz AG.

Allerdings sorgen unterschiedliche physikalische Eigenschaften der Materialien schnell für Spannungen, die zu Widerständen und Verlusten oder gar zum Bruch einer eingegangenen Verbindung führen. Wenn die innere Zuneigung nicht ausreicht, können moderne Fügetechnologien aber zum Glück helfen.

Materialmix senkt Kosten

In diesem Sinne haben die Manz-Ingenieure auf Anfragen der Hersteller von Batteriekomponenten für die E-Mobility und für handgeführte Power Tools reagiert und neue Laserschweißverfahren entwickelt, mit denen unterschiedliche Materialkombinationen für die Ableiter der Batteriezellen gefügt werden können. Und das gelingt bei möglichst geringer Einschweißtiefe: Eine wichtige Anforderung, wenn man weiß, dass die Stahlblechgehäuse von Lithium-Ionen-Batteriezellen oft nur 300 µm dick sind und die chemisch aktive Substanz im Inneren der Zelle durch den Schweißprozess natürlich nicht beschädigt werden darf.

Kupfer und Aluminium sind nicht nur leitfähiger als Stahl, weil sie einen geringeren spezifischen Widerstand haben. Mit einer höheren Leitfähigkeit lässt sich bei gleicher Leistung auch Material einsparen, also Gewicht reduzieren. Das direkte Verschweißen unterschiedlicher Materialien bietet außerdem Einsparpotenzial bei den benötigten Bauteilen. Dabei war den Manz-Ingenieuren klar: Erst wenn sich neue und hochleitfähige Materialien automatisiert und prozesssicher bei hohen Durchsatzraten verarbeiten lassen, werden sie den Batterieherstellern die geforderten Sparpotenziale bieten können.

Allerdings ist das Fügen von Aluminium und Kupfer per Laser nicht einfach. Herkömmliches Widerstands- oder Ultraschallschweißen kam für den von Manz angestrebten hohen Automatisierungsgrad in der Batteriefertigung nicht in Frage. Das Widerstandsschweißen eignet sich vor allem für Materialien mit hohen Widerstandswerten. Bei Aluminium und Kupfer hingegen führten die Tests zu suboptimalen Ergebnissen. Für das Ultraschallschweißen wird üblicherweise ein beidseitiger Zugang zur Schweißstelle benötigt, was bei geschlossenen Batteriezellen nicht der Fall ist.

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