Laserschweißprozess mit Funkenflug

Laser als Werkzeug für die Elektromobilität: Fertigungsverfahren wie das Laserschweißen sind bei den Herstellern von Elektroautos sehr beliebt. Wir erklären warum. (Bild: Parilov - stock.adobe.com)

Laser punkten in fast allen Bereichen der Herstellung von Komponenten für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Beim Batteriezellenproduzenten Customcells werden Laser beispielsweise eingesetzt zum Schneiden, für die Ablation, das Labeling, die Strukturierung der Elektroden, das Tab-/Pre-Welding sowie für Messungen und Analyse. Das Unternehmen entwickelt angepasste Lithium-Ionen-Batterien für spezielle Anwendungen.

Precitec entwickelt Laser-Verfahren, die nicht nur für Batterien und Batteriemodule eingesetzt werden, sondern auch für die Fertigung von Brennstoffzellen oder das Schweißen von Hairpins im Elektromotor.

Auch Trumpf profitiert vom Trend zur Elektromobilität. Allein im Geschäftsjahr 2021/22 hat das Unternehmen mehr als 1.000 Laser für die Batteriefertigung verkauft. Die Anwendungen reichen von der Elektrodenfertigung über das Kontaktieren der Zellen zu größeren Einheiten bis zum fertigen Energiepack. Ein Beispiel ist diese Lösung zum Dichtschweißen von Aluminium: "Trumpf-Laser mit Multifokus-Optik machen Schweißen akkurater".

Wissenswertes rund um die Lasertechnik

Sie interessiert, welche Themen die Lasertechnik-Branche momentan beschäftigen? Dann kann Ihnen unser praktischer Überblick helfen: "Das sind die Trends in der industriellen Lasertechnik".

 

Hier gibt's Informationen zu unterschiedlichen Laser-Typen:

Bei welchen Elektrofahrzeug-Komponenten wird zur Fertigung hauptsächlich Lasertechnik verwendet?

Diese Beispiele zeigen, dass Laser für fast alle benötigten Komponenten genutzt werden können. Das macht sie zur Wunderwaffe in der Elektrofahrzeug-Herstellung.

Ein großer Teil davon ist die Produktion von Batteriepacks und Batteriemodulen. Batterieboxen werden ebenfalls oft mittels Laser verschweißt.

Auch „der Elektromotor ist eine wichtige Komponente, bei der viel mit Laserbearbeitung gemacht wird; sei es Laserreinigen oder Laserschweißen“, berichtet Dr. André Häusler vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT).

Beim Gehäuse wiederum gehe es um alles, was mit Leichtbau zu tun habe. Als Beispiel nennt Häusler diverse Verbindungen zwischen Metall und Kunststoff. „Auch diese machen wir mit Laserstrahlung, um faserverstärkte Elemente in das Gehäuse einzusetzen, um Gewicht zu reduzieren, aber trotzdem die Steifigkeit beizubehalten.“

Doch warum wird der Laser so häufig eingesetzt? Um das zu beantworten, müssen wir uns die Produktion der Komponenten genauer anschauen.

Was sind die am häufigsten genutzten Laser-Verfahren bei der Elektroauto-Fertigung?

  1. Fügen, zum Beispiel bei Batterie-Modulen, Elektromotor-Komponenten und Gehäusen.
  2. Beschichten, zum Beispiel bei der Fertigung von Pouchzellen. Hier werden unterschiedliche Schichten in Rolle-zu-Rolle-Prozessen aufgetragen und dann mit Lasern ausgehärtet (Lasertrocknungsverfahren).
  3. Laserstrukturieren, zum Beispiel zum Anpassen und Schneiden von Oberflächen innerhalb von Batteriezellen. Das Schneiden ist hier kein Laserschneidprozess, denn so würden die einzelnen Schichten verschmolzen werden, sondern ein punktuelles Verdampfen, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
  4. Laserreinigen, zum Beispiel bei der Elektromotor-Produktion, wo Spulenenden miteinander verschweißt werden müssen (Hairpin-Schweißen) und dafür zuvor der Kupferdraht gereinigt werden muss

Was sind die Herausforderungen bei der Fertigung von Komponenten für die Elektromobilität?

Vor allem die große Vielfalt an unterschiedlichen Batteriekonzepten stellt die Branche vor Probleme. Ein E-Bike braucht zum Beispiel andere Batterien als ein Kleinwagen oder ein SUV. „Selbst wenn man sich nur die Autos anguckt, dann hat Tesla ein anderes Konzept als VW“, so Häusler. „VW hat aber auch ein ganz anderes Konzept als Daimler und BMW macht es nochmals mit ganz anderen Zellen.“ Darum benötigen Batterieproduzenten besonders flexible Fertigungstechnologien, um die Auftragsbreite abdecken zu können.

„Eine weitere Herausforderung liegt darin, dass wir bei den Komponenten zunehmend mit elektrisch und thermisch hoch leitenden Materialien arbeiten müssen“, erklärt der Fraunhofer-Forscher weiter. In Batterien verbaue man gerne Kupfer, da dies der zweitbeste elektrische Leiter ist. „Silber ist besser, aber natürlich baut keiner eine Batterie aus Silber“, schmunzelt er. Gerade in der Verschaltung von einzelnen Zellen zu Batteriepacks oder Modulen muss also die Bearbeitung von Kupfer gemeistert werden.

„Die Fertigungsaufgaben in Elektrofahrzeugen, etwa bei Statoren, Batterien oder Batteriekästen, stellen höchste Anforderungen an Laserfügeprozesse, Sensorik zur Bilderkennung oder Nahtverfolgung und die Qualitätssicherung. Hier öffnet sich ein völlig neues Feld für die Lasermaterialbearbeitung. Dabei sind Bearbeitungsoptiken gefordert, die zuverlässige Strategien für die neuen Fügegeometrien und Werkstoffe bieten. Das verlangt ein hohes Maß an Prozess-Know-how, Materialkenntnis und Equipment, das serienerprobt ist und sich auf neue Laseranwendungen anpassen lässt.“

Dr. Axel Luft, Geschäftsführer Vertrieb und Marketing Scansonic MI GmbH

Dabei gilt es einige Dinge zu erfüllen: Zum einen müssen möglichst dauerfeste stoffschlüssige Verbindungen geschaffen werden zwischen der Zelle und dem Ableitermaterial, das den Strom führt. Zum anderen muss der Widerstand möglichst gering sein und die Zelle darf bei der Bearbeitung nicht zu warm werden.

Bei Elektromotoren müssen ebenfalls hochleitende Materialien bearbeitet werden. Genauso wie die Leitungen. Hier sind die Materialien sehr dick, um möglichst viel Strom zu verarbeiten. „Sie möchten ja nicht mit Ihrem Tesla oder ihrem E-Golf eine Stunde an der Tankstelle warten, sondern das Auto soll in zehn Minuten geladen werden“, erläutert Häusler. „Dazu müssen die Verbindungen einen hohen Stromdurchfluss in kurzer Zeit durchlassen. Und das erfordert dickere Leitungen und Verbinder. Und diese Verbinder sollen eben eine immer höhere Stromtragfähigkeit haben, ohne das Modul, das Gehäuse oder die Zelle an sich thermisch zu schädigen.“

An allen diesen Stellen kann die Lasertechnik ihre Stärken ausspielen.

„Die E-Mobilität kommt jetzt weltweit richtig in Schwung. Die politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen verleihen der E-Mobilität weiteren Schub. Auch in Europa entstehen jetzt Batteriefabriken mit Multi-Gigawatt-Kapazitäten. All diese Fabriken benötigen Laser für ihre Fertigung.“

Johannes Bührle, Leiter Mobilität bei Trumpf

Was kann der Laser in diesen Fällen besser als andere Fertigungstechnologien?

Der größte Vorteil: Die Lasertechnik kann die Vielfalt der Elektrofahrzeug-Komponenten abdecken. „Wir können flexibel auf Designänderungen oder andere Möglichkeiten reagieren, sodass wir Mehrwert schaffen und unterschiedliche Designs gleichzeitig belegen können“, begründet Häusler. „Das ist der Punkt, der wirklich entscheidend ist.“

Mit einer Laseranlage lässt sich außerdem eine große Produktvielfalt abdecken, während sich die Maschinen der anderen Fertigungsarten schwerer auf verschiedene Produkte einstellen lassen. Denn bei Laseranlagen kann der Strahl beliebig abgelenkt und so verschiedene Geometrien abgefahren werden. Es muss also nicht zuerst noch ein Werkzeug für den jeweiligen Prozess gebaut werden, wie es bei anderen Verfahren der Fall ist.

„Auch was die verschiedenen Materialien angeht, die gefordert sind, wie eben gerade Kupfer und Aluminium – damit kann der Laser sehr gut umgehen“, ergänzt der ILT-Forscher.

„Der Laser hat unzweifelhafte Vorteile gegenüber anderen Werkzeugen in diesen Produktionsketten. […] Wenn man über die Prozessierungsgeschwindigkeit redet, den niedrigen Energieeintrag, die Automatisierung, die mit Laser sehr einfach zu realisieren ist, Energieeffizienz und die Kontaktfreiheit, dann kommt man an dem Laser als Werkzeug nicht vorbei.“

Dr. Markus Kogel-Hollacher, Leiter Forschung & Entwicklung Precitec Group

Dass das Material nicht zu sehr erhitzt werden darf, kommt dem Laser ebenfalls zugute. Denn mit Laserfertigungsverfahren ist es möglich, Energie gezielt an einzelnen Punkten einzubringen. So gibt es beispielsweise Laserstrahlen mit Fokusdurchmesser von 40 Mikrometern, mit denen – wie mit einer Nadel  – einzelne Punkte bearbeitet werden können. „Und zwar exakt die, die wirklich notwendig sind“, betont Häusler. „So heizen wir nicht das ganze Modul auf und bringen keinen großen thermischen Energieeintrag ein, sodass die Batterie nicht beschädigt wird.“

Als Beispiel nennt er Verbinder bei Elektromotoren. Dort zeigt der Laser wieder seine Stärke gegenüber der anderen üblichen Fertigungstechnologien: „Verschrauben hat einen zu hohen Übergangswiderstand, beim Ultraschallschweißen sind die großen Querschnitte nicht gefügt und Kleben hat auch einen schlechten Übergangswiderstand. Mit dem Laser hingegen hat man keine Verluste, was die elektrische Leitfähigkeit angeht.“

„Das Laserschneiden ist ein sehr schöner Prozess, weil er kontaktfrei ist und eine hohe Präzision und Qualität aufweist.“

Dr. Daniela Werlich, CTO Customcells Itzehoe GmbH

Ein weiterer Vorteil: Der Laser ist ein Werkzeug aus Licht und nutzt sich daher nicht ab. Zumindest nicht wie andere, physische Werkzeuge. Das zeigt sich zum Beispiel beim Laserschneiden. Würde man Bleche mit einem anderen Werkzeug schneiden, dann ist irgendwann die Schneide kaputt. „Das passiert mit dem Laser natürlich erstmal nicht, sondern das Werkzeug ist immer verfügbar. Natürlich gibt es auch Dinge, die in gewisser Weise verschleißen, aber das ist weniger als bei anderen Verfahren.“

Einblicke in die Zukunft der Mobilität

Autonomes Fahren, Flugtaxis, Hyperloop - die Mobilität der Zukunft wird vielfältig. Eine Chance für die deutsche Industrie, sich zu positionieren. Aktuelle Entwicklungen und praktische Überblicke finden Sie in unserem Fokusthema - hier entlang!

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