Fertigung von Elektromotoren

Volle Laserkraft voraus: Lasertechnik von Trumpf beim Schweißen von Hairpins. - Bild: Trumpf

Bitte! Kommen Sie mir jetzt nicht mit dem Wasserstoffauto. Oder alternativen Kraftstoffen. Und schon gar nicht mit der konstruktiven Überlegenheit des Dieselmotors. Sicher, das Leistungsversprechen eines Brennstoffzellenautos mag vielversprechend sein. Alternativer Kraftstoff wie Audis E-Fuel mag dem Verbrennungsmotor eine wieder strahlende Zukunft versprechen. Und der Vielfahrer mag den geringen Verbrauch und das hohe Drehmoment seines Selbstzünders.

Doch das batterie-elektrische Auto wird sich durchsetzen, ganz sicher. Als Beweis dafür könnten Sie die einschlägigen Studien wälzen. Oder Sie schauen einfach, was Chinas allmächtiger Präsident Xi Jinping plant. Seine kommunistischen Wirtschaftsplaner haben ganz genaue Vorstellungen über die Entwicklungen der heimischen Automobilindustrie. Und China will Elektroautos.

Warum? Gern genannt wird an dieser Stelle der Smog in Chinas Großstädten, den lokal emissionsfreie batterie-elektrische Autos verringern würden. Gut, mag sein. Der Hauptgrund ist aber eher politischer Natur. Bei der Verbren­nertechnologie bräuchten die Chinesen wohl noch Jahrzehnte, um zu den deutschen, japanischen und amerikanischen Autobauern aufzuschließen. Bei der E-Mobility werden die Karten aber gerade neu gemischt. Der Große Vorsitzende glaubt, ein gutes Blatt in der Hand zu halten, das Land führt ab 2019 eine Quote von 10 Prozent für Elektrofahrzeuge ein, will Technologieführer werden.

Tja, und nun müssen auch die internationalen OEMs E-Autos bauen, wollen sie weiter auf dem größten und damit normativen Automarkt China mitmischen. Um zu begreifen, wie groß Chinas Automarkt ist, genügt ein Blick auf diese Zahlen: Im Februar 2018 verkauften die Automobilhersteller im Reich der Mitte 3,87 Millionen Autos. In Deutschland waren es im gleichen Zeitraum rund 530.000.

"Elektromobilität befindet sich auf direktem Weg zum Massenmarkt"

Auch das Ditzinger Technologieunternehmen Trumpf glaubt an eine elektrische Auto-Zukunft. „Die Zeichen der Zeit sprechen für elektrifizierte Antriebe – da bin ich mir sicher. Die Elektromobilität befindet sich auf direktem Weg zum Massenmarkt“, sagt Dr. Christian Schmitz, CEO Laser Technology bei Trumpf.

Auf der Hausmesse Intech erklärt er: „In unserem internen Zukunftsszenario, das wir auf Basis unserer jahrelangen Erfahrungen und vielen Gesprächen mit der Automobilbranche erstellt haben, gehen wir davon aus, dass 2025 etwa 25 Prozent des Marktes Elektroantriebe sein werden.“ Folglich müssten sich nun Automobil- und Zulieferindustrie auf die Massenproduktion für die Elektromobilität einstellen. Trumpf freut sich auf diesen Trend.

„Sobald die massenhafte Produktion von E-Komponenten einsetzt, wird ein Großteil der Industrie auf den Laser setzen. Konsequent weiter gedacht heißt das: E-Auto für alle bedeutet: Mehr laserbasierte Massen- und Serienfertigung“, so Trumpf-Manager Schmitz. So werde die Elektromobilität beim Ditzinger Unternehmen Arbeitsplätze in Entwicklung, Produktion und Applikation mindestens sichern, teilweise sogar neu schaffen.

Trumpf wähnt sich auf dem Weg zur Elektromobilität auf der Siegerstraße. „Viele Zulieferer und Automobilisten kommen auf uns zu und bitten uns um Hilfe bei der Umstellung auf die Produktion für die Elektromobilität. Das ist für uns ein Heimspiel, denn wir kennen die Anforderungen auch aus anderen Branchen und können dieses Wissen gezielt einbringen“, berichtet Schmitz.

Infografik Elektromobilität
Die Automobilhersteller setzen bei der Produktion von Elektroautos auf die Lasertechnik. Es gibt zahlreiche Einsatzgebiete für den Laser. Diese entlacken und schweißen zum Beispiel die sogenannten Hairpins für Elektromotoren, sie schweißen und schneiden Batteriekomponenten und auch Leichtbauwerkstoffe. - Grafik: Trumpf

Know-how aus der Medizintechnik

Ein Beispiel: Die hohe Anforderung an die Dichtheit von Batteriepacks kennt Trumpf aus der Medizintechnik. Dieses Wissen sei relativ leicht auf die Elektromobilität übertragbar. Gleichzeitig entwickle Trumpf Laser und Lasersysteme weiter, modifiziere sie für die Anforderungen der E-Mobility. „Viele unserer vorhandenen Produkte aber können wir vom Stand weg für die Fertigung von E-Komponenten einsetzen. Ich gebe Ihnen ein Zahl: Wir haben weltweit mehr als 500 Laser verkauft, die allein in der Batterieproduktion zum Einsatz kommen – Tendenz kräftig steigend“, erläutert Schmitz.

Die Batterie sei die Komponente, für deren Produktion derzeit bei Trumpf am meisten Lösungen angefragt werden. Schmitz kommentiert: „Ich möchte an dieser Stelle nicht zu tief ins Detail gehen, aber der Laser ist bei der Batterieproduktion heute schon durchgängig gesetzt. Und da der Markt für Batterien wächst, wächst auch Trumpf.“

Schon heute entfällt bei den Ditzingern jeder zehnte Euro bei den Automobil­umsätzen auf die Batteriefertigung – Tendenz steigend. Stehen doch bei allen großen Batterieherstellern Trumpf Laser in den Fertigungshallen. „Ein schönes Beispiel ist der chinesische Elektrobus-Hersteller BYD“, sagt Schmitz.

Das Unternehmen hat 2015 weltweit 7 500 Elektrobusse verkauft, einen Großteil davon nach London. „Wenn Sie das nächste Mal dort sind, achten Sie bitte auf die roten Doppeldeckerbusse der Linie 16 – die fahren elektrisch, geschweißt sind sie mit unseren Lasern“, weiß der Trumpf-Manager. In der BYD eigenen Batterieproduktion stehen insgesamt 120 Trumpf Laser.

IPG Laser bereit für E-Mobility

Klar, die Ditzinger sind nicht der einzige Laserhersteller, der ein fettes Stück vom E-Mobility-Kuchen abbeißen will. Auch IPG Laser sieht sich für die Elektromobilität gerüstet. „Faserlaser sind seit langer Zeit ein hoher Bestandteil in der Fertigungstechnologie Elektromobilität. Sie finden Anwendungen in der Batteriefertigung, bei der Produktion von Elektromotoren als auch in dem für die Elektromobilität wichtigen Thema des Leichtbaus“, erklärt Dr. Klaus Krastel, Director of Automotive bei IPG Laser.

In der Batteriefertigung werden Batteriefolien vorzugsweiße mit Single Mode Faserlasern geschnitten. Diese Quellen können sowohl im Continuous Wave (CW) Modus als auch im Nanosekundenbereich gepulst betrieben werden. Krastel: „Wichtig hierbei ist es, einen sehr sauberen, gratfreien Schnitt zu erzeugen, der auch keinerlei Rückstände an der oberen Schnittkante hinterlässt.“

Gefügt werden diese als Paket mit einem CW Single Mode Faserlaser. Das soll einen möglichst geringen Wärmeeintrag gewährleisten. Das Batteriegehäuse und der Batteriekühler werden mit Faserlasern im Bereich Multi-kW-Laserleistung mit Multi-Mode-Lasern gefügt. „Die Einschweißtiefe und insbesondere deren Leistungskonstanz sind ein entscheidender Faktor – gerade bei Aluminium. Faserlaser haben keine Leistungsschwankungen und sind für diese Aufgabe regelrecht prädestiniert“, so Krastel.

Das gelte auch für das Kontaktieren von einzelnen Batteriezellen, wo Mischverbindungen von Kupfer mit Edelstahl oder Kupfer mit Aluminium durch Feinstschweißungen zur Anwendung kommen.

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Laser wichtig für den Leichtbau

Statoren von Elektromotoren auf Basis der Hairpin-Technologie sind in Elektroautos weit verbreitet. Diese Hairpins bestehen typischerweise aus Kupferflachdraht mit isolierender Lackschicht.

Dieser Lack wird an den Fügestellen zunächst mit kurz gepulsten Hochenergiefaserlasern in kürzester Zeit entfernt. „Danach werden die Drahtenden mit kontinuierlich emittierenden Multimodelasern mit höchster Strahlqualität im Bereich mit bis zu 4 kW Laserleistung verschweißt“, so der Manager von IPG Laser.

Aufgrund der hohen Bedeutung der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist der Leichtbau ein entscheidender Faktor für die Elektromobilität. Krastel: „Schon seit vielen Jahren sind Faserlaser im Einsatz, die prozesssicher Aluminium oder Hoch- und höchstfeste Stähle in Karossen im 3-Schichtbetrieb äußerst zuverlässig schweißen und löten.“

Ob China-Präsident Xi Jinping bei seinen Elektroauto-Plänen bedachte, dass er damit hiesigen Laserherstellern einen großen Gefallen tut, ihnen neue Geschäftsfelder eröffnet? Wohl eher nicht. Die Laserindustrie kann dem Staatslenker ja trotzdem einfach mal sagen: Danke!

So nutzt die BMW Group die Lasertechnik in der Fertigung ihrer Elektroautos

Grundsätzlich richte sich in der Verbindungstechnik die Wahl des Verfahrens nach dem Material der zu fügenden Teile, unabhängig von der Antriebsart des Fahrzeugs, berichtet Dr. Fabian Fischer, Leiter Schweißverfahren und Schrauben im Produktionssystem der BMW Group. Wesentliche Kriterien seien dabei Qualität und Wirtschaftlichkeit. „Im Karosseriebau des BMW i3 haben wir uns primär für die Klebetechnik und Schutzgas-Schweißtechnik entschieden“, so Fischer.

Bei den meisten BMW- und MINI-Modellen setzt der Autobauer Laserstrahlschweißverfahren in den Anbauteilen ein, also bei Türen und Klappen, im Bereich Stahl und Aluminium. „Dies gilt für das Fügen der Strukturteile, aber auch für die Anbindung der Außenhaut an die Strukturteile. Je nach Anforderung an die Fügestelle setzen wir auf das Remote- oder das Taktile-Laserstrahlschweißverfahren“, so Fischer. Dabei kommen Faser-, Scheiben- oder Diodenlaser zum Einsatz. „Ein eindeutiges Plus beider Verfahren ist, dass sie nur von einer Seite Zugang zu den Bauteilen erfordern, mit entsprechenden Vorteilen für Anlagenlayout und Prozessgestaltung“, kommentiert der BMW-Mann.