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Fraunhofer-ILT Wenn der Laser „elektrisiert“: Laser hilft die E-Mobilität zu meistern

| Autor / Redakteur: Nikolaus Fecht / M.A. Frauke Finus

Als flexibel einsetzbares Energiebündel hat der Laser viele Industriebereiche erobert: Nun hilft er mit, den Trend zur Elektromobilität zu meistern. Das zeigt auch das Lasersymposium Elektromobilität (LSE) des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen, das im Februar 2020 stattfand.

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Wie sich Kupferkontakte und Batteriegehäuse optimal laserschweißen lassen, ...
Wie sich Kupferkontakte und Batteriegehäuse optimal laserschweißen lassen, ...
(Bild: Fraunhofer ILT )

2020 ist für die Elektromobilisierung ein wichtiges Jahr mit Signalwirkung: Nun gelten erstmals verbindlich die von der EU vorgegebenen CO2-Flottengrenzwerte. Die effiziente Produktion von Elektroautos und Batterien gewinnt zunehmend an Bedeutung. Warum Lasertechnik dabei unverzichtbar ist und welche leistungsstarken Lösungen sie bietet, zeigte das Lasersymposium Elektromobilität (LSE) des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT, das im Februar 2020 zum zweiten Mal in Aachen stattfand und mit 70 Teilnehmern erneut ausgebucht war.

Die Marschroute steht für Dr.-Ing. Alexander Olowinsky, Gruppenleiter Mikrofügen am Fraunhofer-ILT, fest: „Das Thema Elektromobilität bewegt uns alle. Wir werden laut BMW am Ende beides haben - Brennstoffzellen für längere Strecken und größere Fahrzeuge und Elektroantriebe für kurze Strecken, etwa in der Stadt.“ Diesem Trend folgen die Aachener - einen Monat später veranstalteten sie das erste Laserkolloquium Wasserstoff LKH2.

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Laserschweißen optimiert die Batteriefertigung

Ein Grund für den Trend zur Brennstoffzelle sind laut Dr. David Flaschenträger von der Quantron AG in Augsburg, einem Spezialisten für die Elektrifizierung von Nutzfahrzeugen, die hohen Ansprüche an die Batterien. Der technische Vorstand (CTO Battery CV) sprach über die immer noch sehr teuren Batterien mit einer Leistung von mindestens 200 kWh, die weniger als 1,5 t wiegen und mindestens fünf Jahre bzw. 4000 Ladezyklen mit 600 bis 700 V halten müssen. Entsprechend aufwändig fällt die Produktion aus: Flaschenträger beschrieb es anhand einer 210 kWh-Batterie, die aus 35.000 einzelnen Rundzellen (Format: 18650) besteht. Das Laserschweißen der Kontakte dauert rund 100.000 Sekunden beziehungsweise fast 30 Stunden. Nicht nur das Material, sondern auch der hohe Aufwand für das Fügen und das Überprüfen der Kontakte macht die Batterieherstellung bisher sehr teuer. Flaschenträger: „Der Zeitaufwand für das Schweißen der Zellen ist immer noch der limitierende Faktor.“

Wie es bei diesem Batterietyp schneller geht, beschrieb Alessandro Baldini, Spezialist für Prozessentwicklung bei der Voltabox AG aus Delbrück, einem Hersteller unter anderem von Batteriesystemen für Flur- und Bergbaufahrzeuge. In Aachen stellte er die Schweißstrategie für eine Batterie für einen großen Bus vor, die aus 15.000 Rundzellen des Typs 18650 besteht. Um die Zellen beim Schweißen zu schützen, darf die Temperatur des Aktivmaterials 90 °C nicht überschreiten. Voltabox setzte einen Single-Mode-IR-Laser von Rofin-Sinar mit einer maximalen Leistung von 300 bis 450 W ein, der mit einem Vorschub von 200 bis 250 mm/s ohne Schutzgas 70 µm breite Kontakte auf die Minuspole schweißte, die bei einer Schweißtiefe von 40 µm eine hohe Zugfestigkeit von konstant 150 N auszeichnete. Durch Optimieren der Parameter und der Abkühlzeiten ließ sich die Dauer einer Schweißung von 3 auf 0,7 s senken. Fazit des Prozess-Experten Baldini: „Eine höhere Schweißtiefe steigert nicht die Zugfestigkeit. Daher ließ sich die Laserleistung minimieren.“

Blaue Laser für zuverlässige Kupferkontakte

Das Laserschweißen von Kupfer auf Kupfer beschrieb Christian Göbl, Leiter der Abteilung für neue Technologien bei der Semikron Elektronik GmbH aus Nürnberg, einem Hersteller von Komponenten und Systemen für Leistungselektronik. Zusammen mit dem Fraunhofer ILT entstand ein Verfahren, um mit Trumpf-Scheibenlaser TruDisk 4001 im nahen Infrarotbereich (Wellenlänge 1030 nm) sehr schnell mit rund 0,3 m/s und prozesssicher dicke Kupferlitzen auf Sammelschienen aus Kupfer zu schweißen. Gefragt sind sehr langlebige, zuverlässige Schweißungen, denn es handelt sich um Leistungselektronik für Photovoltaik, die auf eine Stromstärke von maximal 1.800 A und eine Spannung von maximal 1700 V ausgelegt ist. Göbel ist sehr zufrieden mit dem Ergebnis der erstaunlich schnellen und extrem scherfesten Schweißungen. Typische Prozessparameter: Innerhalb von 150 ms entstehen Verbindungen mit einer Scherfestigkeit von 600 N. Der Anwender müsse allerdings die Grenzen der Wärmeeinflusszone beachten, um die empfindlichen Chips und Keramikbauteile zu schützen. Göbl: „Wir besitzen seit Ende des Jahres 2019 nun auch ein automatisch arbeitendes Laser Lab mit Faserlaser, das uns sehr glücklich macht.“

Einen großen Bedarf zum Fügen von Kupferkontakten beobachtet auch André Häusler, Teamleiter für das Mikrofügen von metallischen Werkstoffen am Fraunhofer-ILT. Weil sich übliche Infrarotlaser (Wellenlänge: rund 1000 Nanometer) zum Schweißen von Aluminium und Kupfer wegen der typisch niedrigen Absorptionsraten von ein bis sechs Prozent nicht immer eignen, kommen zunehmend auch grüne beziehungsweise blaue Laser zum Einsatz. Für blaue Laser (Wellenlänge: 450 Nanometer) haben die Aachener eine Ringoptik für unterschiedlichste Zelldurchmesser entwickelt. Häusler: „Wir können die Optik stufenlos so einstellen, dass sich der ringförmige Laserstrahl exakt an unterschiedliche Rundzellen des Typs 18650 und 21700 anpasst. Die komplette Schweißnaht gelingt dann mit einem einzigen ‚Schuss‘ in wesentlich kürzerer Zeit.“ Allerdings befindet sich die Ringoptik noch in der Erprobung, sie ist daher noch nicht im Einsatz.

Niedrige Wellenlängen für höhere Wirkungsgrade nutzen

Interessant ist sie sicherlich für die Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich. Sie setzt auf den direkt strahlenden blauen Diodenlaser, der laut Innovationsmanager Dr. Simon Britten einen höheren Wirkungsgrad als übliche grüne Laser besitzt. Das Verfahren kann zum Beispiel Kupfer mit einer hohen Absorptionsrate von bis zu 66 % schweißen. Als besonders interessant bezeichnet Britten das Hybridschweißen, bei dem blaue und infrarote Lichtquelle zusammenarbeiten. Die Kombination soll den Laserprozess stabilisieren, bessere Schweißqualität ergeben und die Spaltbreite auf maximal 0,6 mm steigern.

„Doch wie geht’s weiter, bleibt es beim blauen Licht?“, fragte ein Zuhörer in Aachen. „Niedrigere Wellenlängen sind denkbar“, antwortete Britten. Im Gespräch sind angeblich schon neue Dioden für den ultravioletten Bereich mit einer Wellenlänge von 355 nm, bei denen sich der Absorptionsgrad und damit die Effizienz noch weiter steigern lassen.

Stabilere und präzisere Materialbearbeitung mit flexiblen Optiken

Für alle Arten der Batterieproduktion vom Labormaßstab bis zur Großserie hat das Hightech-Maschinenbau-Unternehmen Manz AG aus Reutlingen „BLS 500“ entwickelt. Das skalierbare Lasersystem lässt sich mit allen gängigen Laserstrahlquellen bestücken, ist automatisierbar und in Fertigungslinien integrierbar. Laut Stefan Bez, dem Technical Sales Specialist Energy Storage, schneidet, schweißt und bohrt die Anlage mit einer maximalen Laserleistung von 6 kW. Für BLS 500 spreche das flexible Klemmsystem, „mit dem wir jede einzelne Zellhöhe messen, um die Fokuslage optimal einzustellen“. Bez: „Das hat sich bewährt, um einen sehr stabilen Prozess zu erhalten.“

Auf das laserbasierte Reinigen, Entlacken und Aufrauen von metallischen Oberflächen ist die Clean-Lasersysteme GmbH aus Herzogenrath spezialisiert. Das aktuelle Highlight ist eine Anwendung für die populären Hairpins in Elektromotoren, die bisherige Wicklungen ersetzen. Das Entfernen der lackierten Isolierung vor der weiteren Bearbeitung geschieht idealerweise per Laser, weil dieser sauberer, präziser, schonender und mit hoher Geschwindigkeit entlackt. Die Aufgabestellung klang sportlich: Es sind 20 mm lange Hairpin-Stellen innerhalb einer Sekunde von allen Seiten von der rund 80 μm dicken Polyamidschicht zu befreien. „Die Frage war, wie es uns gelingt, wenn wir weder den Laser noch den Draht dabei drehen können“, sagte CEO Edwin Büchter. Es gelang mit Hilfe der selbstentwickelten wireLine-Optik, die einen Arbeitsbereich von 300 mm abdeckt.

Bauteilgewicht und -volumen einsparen dank „Laserei“

Für die Elektromobilität kommt auch ein ganz anderes Laserverfahren infrage, das die Aachener IQ Evolution GmbH und das Fraunhofer-ILT entwickelt haben: Sie kombinierten ein von der IQ Evolution weiter entwickeltes 3D-Druckverfahren für Mikrokühler mit anderen digitalen Beschichtungsverfahren. 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 kW-Hochspannungskonverters um den Faktor 18 von 11 auf 0,6 kg und den Bauraum um den Faktor 56 von bisher rund 14 auf 0,25 l senken“, erläutert Dr. Thomas Ebert, Geschäftsführer der IQ Evolution GmbH. „Mit dem vom Fraunhofer-ILT entwickelten Verfahren zur Isolierung und zur Herstellung leitfähiger Strukturen erwarten wir weitere signifikante Einsparungen von Gewicht und Volumen“.

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