Manz AG Harmonische Verbindungen halten deutlich länger

Autor / Redakteur: Stefan Richter / Peter Königsreuther

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.

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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.
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)

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.

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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.

Zwei Schweißverfahren als Sieger

Nach dem Durchrechnen vieler Prozessparameter und detaillierten Laborversuchen haben sich die Manz-Ingenieure schließlich auf eine Reihe von Schweißtechniken festgelegt, die sich je nach Kundenanforderung in eine flexibel konfigurierbare Standardmaschinenplattform namens BLS 500 integrieren lassen. Die beiden wichtigsten Verfahren, die bei der Lithium-Ionen-Batteriefertigung zum Einsatz kommen, sind der sogenannte P1-Prozess, der mit kurzen Pulsen arbeitet und der sogenannte P2-Prozess, der auf einem in vielen Aspekten weiterentwickelten Wobbling-Prozess basiert.

Wobbling-Schweißen bezeichnet ursprünglich eine spiralförmige, überlappende Modulation des Laserstrahls. Herkömmlichen Laserschweißprozessen, für die vor allem Multimode-Laserquellen eingesetzt werden, ist das P2-Verfahren von Manz weit überlegen. „Besonders bei bimetallischen Verbindungen ist die Durchmischung der Schmelze äußerst kritisch, weil sich dadurch spröde Phasen ausbilden“, merkt Dr. Dmitrij Walter, Abteilungsleiter Laserprozesstechnik bei Manz, an. Beim Wobbling werde die Durchmischung der Schmelze signifikant reduziert. Das Ergebnis sind Schweißnähte mit sehr hoher Festigkeit. „In Tests haben wir verschweißte Kontaktelemente von einer Batterie abgezogen. Dabei hat das Ableitermaterial um die Schweissnaht versagt, nicht aber die Schweißnaht selbst, was für die Qualität des Verfahrens spricht“, betont Gaiser.

Mit dem P2-Verfahren konnte das Manz-Team den thermischen Eintrag in bestimmten Batteriezellen auf unter 65 °C reduzieren. Nahezu konstante Einschweißtiefen von weniger als 150 µm sind möglich. Das brachte den Durchbruch für den Einsatz der BLS 500 in der Massenproduktion von Batteriemodulen, weil der Laser die chemisch wirksame Masse im Innern der Batterie bei nur 300 µm Wandstärke natürlich nicht schädigen darf. Die Tiefe und die Breite der Schweißnähte lassen sich unabhängig voneinander einstellen.

Toleranzausgleich per 3D-Scanner

Um diese hohe Präzision und Qualität zu erreichen, nutzt Manz eine weitere Kernkompetenz: Außer der Automation und der Laserbearbeitung ist das die Integration von Messtechnik. In der BLS 500 sorgen ein voll kalibrierter 3D-Scanner, Kameratechnik und Topografiemessungen für eine präzise Bearbeitung in allen Raumrichtungen. Um die in der Batteriefertigung auftretenden Bauteiltoleranzen der Ableiter, Zellen und Zellgehäuse auszugleichen, verfügen die Laserprozessköpfe über eine optische Z-Achse. Die präzise Positionierung der Arbeitsebene des Scanners in Z-Richtung dauert nur wenige Millisekunden.

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Außer dem P2-Prozess bietet Manz für nahezu beliebige Bimetall-Kombinationen einen weiteren Schweißprozess an, der auf einer hochfrequenten zeitlichen Modulation der Spitzenleistung mit bis zu mehreren 100 kHz basiert: Das kurzpulsige P1-Laserschweißen.

Damit lassen sich beliebige Schweißnaht- oder Schweißpunktgeometrien erzeugen – von 50 µm breiten Mikronähten bis hin zu Schweißpunkten beliebiger Form mit mehreren Millimetern Durchmesser. Im Gegensatz zum P2-Schweißen wird beim P1-Verfahren – speziell bei Kupfer und Stahl – eine besonders stabile Verbindung erzeugt, indem sich die Materialien ineinander verhaken beziehungsweise verklammern. Auch dabei sorgt der sehr geringe Energieeintrag für eine minimale Wärmebelastung.

Damit empfiehlt sich der P1-Prozess besonders bei thermisch empfindlichen Bauteilen und für die immer kleiner werdenden Batteriegehäuse. Schweißen lassen sich nahezu beliebige Materialkombinationen, etwa aus Aluminium, Kupfer, Stahl, Hilan, Messing oder Edelstahl. Auch hinsichtlich der Oberflächengüte ist das P1-Schweißverfahren sehr flexibel: Hochreflektierende Werkstoffe, wie chemisch geätztes oder poliertes Kupfer, Silber und Gold oder extreme Verschmutzungen von Öl- und Laugenrückstände stellen keine Hürde dar.

Sehr variabel einsetzbare Anlagen

Manz bietet mit seiner BLS 500 eine flexible Plattform, die sich wechselnden Produktionslosen anpassen lässt. Die Anlagen sind einfach programmier- und nachträglich erweiterbar bei minimalen Rüstzeiten. Ein 3-achsig programmierbares Spannsystem sorgt für exakte 0-Spalte bei diversen Produktgeometrien. Neu ist eine extern angebrachte Drehstation, mit der die zu fertigenden Batteriemodule gedreht und in die Maschine zurück transportiert werden können, um die für die Reihen- oder Serienschaltung der Zellen benötigten Ableiterkontakte auf der gegenüberliegenden Seite zu schweißen.

So lassen sich aber auch Zellkontaktiersysteme oder elektronische Baugruppen automatisch bearbeiten – also nicht nur schweißen. Denn in die BLS 500-Plattform können problemlos auch andere Laserbearbeitungsverfahren integriert werden: vom Laserschweißen bis hin zum Schneiden oder Ablatieren von Werkstoffen. Die Anlagen lassen sich in automatisierte, sich selbst organisierende Fertigungslinien ebenso integrieren wie in die Prozesse von Kleinserien- und Prototypenherstellern. MM

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