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Laser und E-Mobilität So elektrisiert der Laser die Zukunft der Mobilität

| Autor / Redakteur: Nikolaus Fecht / Peter Königsreuther

Mit dem Laser wurde der Industrie sowie der Wissenschaft und Forschung ein äußerst flexibles Werkzeug beschert, das etwa schonend schweißen oder schneiden kann. So konnten viele Ideen erst Realität werden. Jetzt bringt er neuen Schwung in Elektromobilität.

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Innovationsmanager Dr. Simon Britten von Laserline zur Zukunft des blauen Lasers befragt. Seine Antwort: „Noch niedrigere Wellenlängen sind denkbar und in Arbeit.“
Innovationsmanager Dr. Simon Britten von Laserline zur Zukunft des blauen Lasers befragt. Seine Antwort: „Noch niedrigere Wellenlängen sind denkbar und in Arbeit.“
(Bild: Fraunhofer-ILT)

Das Jahr 2020 hat für die Elektromobilisierung eine echte Signalwirkung. Denn nun gelten erstmals verbindlich die von der EU vorgegebenen CO2-Flottengrenzwerte. Die effiziente Produktion von Elektroautos und Batterien gewinnt zunehmend an Bedeutung. Warum die Lasertechnik dabei unverzichtbar ist und welche leistungsstarken Lösungen sie bietet, zeigte das zweite Lasersymposium Elektromobilität (LSE) des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT im Februar 2020 in Aachen. Mit 70 Teilnehmern war das Event erneut ausgebucht.

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, wie sie in der Stadt dominieren.“

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Diesem Trend folgen auch die Aachener. Denn man plant jetzt auch das Event Laserkolloquium Wasserstoff LKH2, das wegen der Coronakrise aber bisher noch nicht stattfinden konnte.

Das Batteriezellenschweißen ist ein Zeitfresser

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) wies auf die immer noch sehr teuren Batterien mit einer Leistung von mindestens 200 kWh hin, die weniger als 1,5 t wiegen und mindestens fünf Jahre beziehungsweise 4000 Ladezyklen mit 600 bis 700 V halten müssen.

Entsprechend aufwendig fällt die Produktion aus. Flaschenträger beschrieb die Umstände anhand einer 210-kWh-Batterie, die aus 35.000 einzelnen Rundzellen (Format: 18650) besteht. Das Laserschweißen der Kontakte dauert rund 100.000 s – also fast 30 h. Nicht nur das Material, sondern auch der hohe Aufwand für das Fügen und das Überprüfen der Kontakte macht die Batterieherstellung sehr teuer. Flaschenträger betonte: „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, unter anderem ein Hersteller von Batteriesystemen für Flur- und Bergbaufahrzeuge. Er stellte dabei die Schweißstrategie für eine Batterie für einen großen Bus vor, die aus 15.000 Rundzellen besteht. Um die Zellen beim Schweißen zu schützen, dürfe die Temperatur des Aktivmaterials nicht über 90 °C sein.

Voltabox setzt dazu einen Single-Mode-IR-Laser von Rofin-Sinar ein. Er hat eine maximale Leistung von 300 bis 450 W und arbeitet mit einem Vorschub von 200 bis 250 mm/s ohne Schutzgas. So versieht er die Minuspole mit 70 µm breiten Kontakten, die bei einer Schweißtiefe von 40 µm eine hohe Zugfestigkeit von konstant 150 N haben. Durch Parameter- und Abkühlzeitoptimierungen ließ sich die Dauer einer Schweißung von 3 auf 0,7 s senken. Baldini merkte an: „Eine höhere Schweißtiefe steigert die Zugfestigkeit nicht. Deshalb ließ sich die Laserleistung minimieren.“

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 ILT entstand ein Verfahren, das mit dem Trumpf-Scheibenlaser Trudisk 4001 im nahen Infrarotbereich (Wellenlänge 1030 nm) sehr schnell (rund 0,3 m/s) und prozesssicher dicke Kupferlitzen auf Sammelschienen aus Kupfer schweißt. Gefragt sind dabei robuste, zuverlässige Schweißungen, denn es geht um Leistungselektronik für die Photovoltaik, die für Stromstärken bis 1800 A und eine Spannungen von maximal 1700 V ausgelegt ist. Göbel zeigte sich sehr zufrieden mit dem Ergebnis, denn in 150 ms entstehen Verbindungen mit einer Scherfestigkeit von 600 N. Man müsse aber die Grenzen der Wärmeeinflusszone beachten, um die empfindlichen Chips und Keramikbauteile zu schützen.

Vom sicheren Kupfer- bis zum Materialmixschweißen

Den hohen Bedarf an gefügten Kupferkontakten bestätigt auch André Häusler, Teamleiter für das Mikrofügen von metallischen Werkstoffen am ILT. Weil sich übliche Infrarotlaser (Wellenlänge etwa 1000 nm) zum Schweißen von Aluminium und Kupfer wegen der typisch niedrigen Absorptionsraten von 1 bis 6 % nicht immer eignen, greift man verstärkt zu grünen beziehungsweise blauen Lasern. Für blaue Laser (Wellenlänge 450 nm) haben die Aachener nun eine Ringoptik für unterschiedlichste Zelldurchmesser entwickelt. Häusler: „Wir können die Optik stufenlos so einstellen, dass sich der ringförmige Laserstrahl immer exakt an unterschiedliche Rundzellen des Typs 18650 und 21700 anpasst.“ Die komplette Schweißnaht gelinge dann mit einem einzigen „Schuss“ in wesentlich kürzerer Zeit. Allerdings befindet sich diese Ringoptik noch in der Erprobung.

Interessant ist sie sicherlich für die Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich, wo man auf den direkt strahlenden blauen Diodenlaser setzt, der laut Innovationsmanager Dr. Simon Britten einen höheren Wirkungsgrad hat als übliche grüne Laser. Damit kann Kupfer mit einer Absorptionsrate von bis zu 66 % geschweißt werden. Besonders hervor hob Britten das Hybridschweißen, bei dem blaue und infrarote Lichtquellen zusammenarbeiten. Diese 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?“, wollte ein Teilnehmer wissen. „Niedrigere Wellenlängen sind denkbar“, antwortete Britten darauf. Im Gespräch seien 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 ließen.

Flott ist der Lack ab – dem Laser sei Dank!

Für Labormaßstab bis Großserie bietet das Hightech-Maschinenbauunternehmen Manz AG aus Reutlingen für den Bau von allen Batteriearten BLS 500 an. Das skalierbare Lasersystem lässt sich mit allen gängigen Laserstrahlquellen bestücken. Es 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 jede einzelne Zellhöhe gemessen werden könne, um die Fokuslage optimal einzustellen. Bez sagte: „Das hat sich bewährt, um einen sehr stabilen Prozess zu erhalten.“

Und auf das laserbasierte Reinigen, Entlacken und Aufrauen von metallischen Oberflächen ist die Clean-Lasersysteme GmbH aus Herzogenrath spezialisiert. Das aktuelle Highlight bearbeitet die populären Hairpins in Elektromotoren, also den Ersatz für die früheren Wicklungen.

Das für die Weiterverarbeitung nötige Entfernen des Isolierlacks klappt mit dem Laser nämlich ideal, weil er sauberer, präziser, schonend und schnell entlackt. Die Aufgabenstellung war sportlich: Es sollten 20 mm lange Hairpin-Stellen in einer Sekunde von allen Seiten von der rund 80 µm dicken Polyamidschicht befreit werden. „Die Frage war, wie es uns gelingt, wenn wir weder den Laser noch den Draht dabei drehen können“, so der CEO Edwin Büchter. Doch mithilfe der selbst entwickelten Wireline-Optik, die einen Arbeitsbereich von 300 mm abdeckt, gelingt es.

Für die Elektromobilität kommt auch noch ein ganz anderes Laserverfahren infrage, das die Aachener IQ Evolution GmbH und das Fraunhofer-ILT entwickelt haben. Diese kombinierten ein von der IQ Evolution weiter entwickeltes 3D-Druckverfahren für Mikrokühler mit anderen digitalen Beschichtungsverfahren. Auf den aus Metall additiv gefertigten Kühlkörper für eine Leistungselektronik werden eine Isolationsschicht und eine Metallisierung mit Dispenser aufgetragen. Der Laser härtet das Ganze aus. Erste Ergebnisse lassen aufhorchen: „Durch den Einsatz dieser Mikrokühler konnten wir das Gewicht eines 20-kW-Hochspannungskonverters von 11 auf 0,6 kg und den Bauraum von einst 14 auf 0,25 l senken“, betonte Dr. Thomas Ebert, Geschäftsführer von IQ Evolution. Mit dem vom Fraunhofer-ILT entwickelten Verfahren zur Isolierung und zur Herstellung leitfähiger Strukturen erwarte er weitere signifikante Einsparungen bei Gewicht und Volumen.

Dieses Verfahren und viele andere Themen behandelt übrigens der AKL ‘22 – International Laser Technology Congress vom 4. bis 6. Mai 2022 in Aachen. MM

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