Laserschweißen Laser bringt mehr Power in Elektroautos

Redakteur: Peter Königsreuther

Durch das Aufkommen des Themas Elektromobilität vor rund sechs Jahren, beschäftigt sich das Fraunhofer ILT mit dem laserbasierten Batteriefügen, also dem Verbinden einzelner Zellen zu sogenannten Packs. Aktuell arbeiten die Aachener Forscher zusammen mit anderen Fraunhofer-Instituten am Aufbau eines kompletten Batteriepacks mittels Oszillations-Laserschweißen.

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Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT sorgt dafür, dass künftig E-Autos und PowerTools nicht der Strom ausgeht: Die Aachener Wissenschaftler brachten eine Lasertechnologie zur Serienreife, die das Schweißen von temperaturempfindlichen Rundzellen-Batterien ermöglicht.
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT sorgt dafür, dass künftig E-Autos und PowerTools nicht der Strom ausgeht: Die Aachener Wissenschaftler brachten eine Lasertechnologie zur Serienreife, die das Schweißen von temperaturempfindlichen Rundzellen-Batterien ermöglicht.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Eine wichtige Rolle zum Gelingen des Vorhabens spiele dabei die passende Fügetechnik, bei der Faserlaser mit einer Leistung bis 1,0 kW zum Einsatz kommen. Dazu nutzen die ILT-Wissenschaftler ein Verfahren, das sich bereits bei anderen Anwendungen bewährt hat. Die Rede ist vom sogenannten Oszillations-Laserschweißen, das für einen gezielten Energieeintrag an der Fügestelle sorgt, wie es weiter heißt. Dabei werde der Vorschubbewegung eine kreisförmige oder pendelnde Oszillation des Laserstrahls überlagert, ein Prinzip, das aus dem Elektronenstrahlschweißen bekannt ist und dort zu einer Prozessstabilisierung und -verbesserung führe. Dank dieser örtlichen Modulation der Bewegung lässt sich der Schweißprozess sehr gut steuern. Außerdem erlaube sie auch Rundschweißungen auf der Batterieoberseite.

Schonendes Fügen der Batteriezellen

Es entsteht beim Aufschmelzen der Metalle in einem sehr kleinen Bereich (0,1 bis 0,25 mm) kurzzeitig eine hohe Temperatur, die aber nach dem Laserschweißen sehr schnell abfällt. „Wir verschweißen beispielsweise bei Notebook-Zellen direkt über temperaturempfindlichem Kunststoff hauchdünne Stahlbleche mit Kupferlegierungen“, erläutert Benjamin Mehlmann, Experte für das Mikrofügen metallischer Werkstoffe am Fraunhofer ILT. Das gelinge nur, weil das Verfahren sehr schnell arbeitet und wenig Energie einbringt. Die Rundzellen werden bevorzugt in mobilen Computern, Elektrowerkzeugen, wie etwa in Akkuschraubern sowie unkonventionellen Elektroautos wie dem Tesla Roadster verwendet.

Zellen werden geladen geschweißt

Das Oszillations-Laserschweißen verbindet aktuell 4800 Standardzellen (Durchmesser: 18 mm, Höhe: 65 mm) zu einem sogenannten Pack für ein Elektroauto. Weil die Zellen im geladenen Zustand geschweißt werden, steht Sicherheit an oberster Stelle: In den Zellen befinden sich nämlich Elektrolyte, deren Austreten unbedingt vermieden werden muss.

Momentan befindet sich das Fraunhofer ILT in der sogenannten Validierungsphase, in der Mehlmann und sein Team den Prozess verbessern und sicherer machen wollen. Beim Optimieren des Oszillations-Laserschweißens nutzen die Experten Erfahrungen und Know-how aus mehreren Projekten für die ganze Fraunhofer-Gesellschaft und die Industrie.

Auch für Mittelständler interessant

Das Institut beschränke sich auch nicht auf das Fügen der kleinen Rundzellen, sondern entwickle auch das Laserschweißen anderer Batteriebauteile weiter. Für die Methode spricht auch, dass sie sich automatisieren lässt und dass daher umständliches, manuelles Schweißen entfällt, so Mehlmann. Interessant sei das Verfahren für Mittelständler, die damit eigene Lösungen für mobile und auch für stationäre Anwendungen entwickeln wollen. Hierzu gehört auch die Integration des Verfahrens in einen konventionellen Bändchenbonder. Diese Entwicklung basiert auf einem öffentlich geförderten Projekt zusammen mit der F & K Delvotec Bondtechnik GmbH aus Ottobrunn, die den Prototypen zusammen mit dem Fraunhofer ILT auf der SMT Hybrid Packaging (05. bis 07. Mai 2015 in Nürnberg) am Stand 7A-330 vorführen wird. MM

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