E-Mobilität braucht Laser und Digitalisierung
Elektromobilität ist mehr als ein Trend, sie befindet sich auf dem direkten Weg zum Massenmarkt. Unternehmen wie der Laserspezialist TRUMPF sehen darin eine große Chance für sich und die deutsche Industrie, denn die Automobilhersteller benötigen innovative Technologien für die Produktion in Serie. Gefragt sind robuste Verfahren, die sich schnell von den heute geringen Produktionsvolumina auf die Massenfertigung skalieren lassen. Dafür bedarf es Kompetenzen in zwei Bereichen: Lasertechnik und Digitalisierung.
Lasertechnologie
Schlüsselkomponenten der Elektromobilität
Lasertechnik kann die Schlüsselkomponenten der Elektromobilität, zum Beispiel den elektrischen Antrieb, die Leistungselektronik oder die Batterie effizient und bezahlbar herstellen. Digitalisierung ist notwendig, um den Produktionsanforderungen der Automobilindustrie – maximale Auslastung und maximale Flexibilität – gerecht zu werden.
Elektromobilität ist weltweit auf dem Vormarsch. 2017 sind erstmals mehr als eine Million E-Autos in einem Jahr zugelassen worden. Das sind 57 Prozent mehr als im Vorjahr. Spitzenreiter ist China mit etwa 60 Prozent aller Neuzulassungen, gefolgt von Europa und den USA. Auch Lieferdienste und Logistikdienstleister auf der ganzen Welt rüsten ihre Flotten auf emissionsfreie Elektrofahrzeuge um, etwa die Deutsche Post mit dem StreetScooter. Drohende Fahrverbote in Großstädten legen nahe, dass die Anzahl der E-Autos weiter ansteigt.
Die wachsende Nachfrage nach Elektromobilität zeichnet sich auch bei TRUMPF ab: Bei den Automobilumsätzen entfällt schon heute jeder zehnte Euro des Hochtechnologieunternehmens aus Ditzingen im Bereich Automotive auf die Batteriefertigung – Tendenz steigend. „Wir haben die richtigen Fertigungsverfahren, um die zentralen Komponenten für die Mobilität der Zukunft wirtschaftlich herzustellen: Elektrische Antriebe, Hochleistungselektronik und Batterien kann nur der Laser so flexibel und hochproduktiv in Serie“, sagt Christian Schmitz, Chief Executive Officer Laser Technology bei TRUMPF.
Reduzierte Kosten für E-Motor
dank neuem Hairpin-Verfahren
Beim Elektromotor selbst setzen Automobilhersteller vermehrt auf die sogenannte Hairpin-Technologie. Um ein stabiles Magnetfeld zu erzeugen, erhalten die Statoren, also die unbeweglichen Teile eines Elektromotors, üblicherweise eine Wicklung aus Kupferdraht.
Wie mit einer Stricknadel wird jede einzelne Nut der Trägereinheit umwickelt. Das ist für starke E-Motoren, die ein Auto antreiben müssen, aufgrund der dicken Kupferdrähte zu aufwendig und zu zeitintensiv. Beim Hairpin-Verfahren schießt eine Druckluftpistole vorgeformte „Haarnadeln“ aus rechteckigem Kupferdraht in Nuten am Rand des Motors.
Anschließend werden die Drähte ineinander verdreht und verschweißt. Dabei ist höchste Präzision gefragt, damit die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers erhalten bleibt. Derartig saubere und genaue Schweißstellen können nur mit dem Laser erreicht werden.
„Mit unserem Schweißverfahren für die Hairpins sorgen wir dafür, dass sich Elektromotoren schnell, sicher und kostengünstig herstellen lassen. Das aufwändige und zeitintensive Wickeln von Spulen mit dicken Kupferdrähten für starke E-Motoren entfällt. Die Massenfertigung wird somit maßgeblich erleichtert“, sagt Schmitz.
»Grüne Technologie«
für Hochleistungselektronik
Nicht nur beim Motor selbst setzten die Konstrukteure auf Kupfer. Während bei Verbrennungsmotoren für die gesamte Elektronik eine 24-Volt-Batterie ausreicht, kommt es beim E-Auto schnell zu Spannungen von rund 800 Volt. Um dieser Belastung standzuhalten, nutzen die Konstrukteure die ausgezeichneten Wärme- und Stromleitungseigenschaften des Kupfers. Dieselben Fähigkeiten dieses Metalls bergen jedoch auch Herausforderungen: Beim Laserschweißen wird normalerweise infrarote Strahlung genutzt. Doch genau im Wellenlängenbereich um 1000 nm weist Kupfer hochreflektive Eigenschaften auf.
Abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit lassen sich gleichbleibende Schweißnähte daher nur in bestimmtem – für die Industrie oft nicht ausreichend hohem – Maße gewährleisten. Beim Tiefschweißen können zudem Spritzer entstehen, die das Bauteil beschädigen und im schlechtesten Fall zu Kurzschlüssen auf den Platinen führen.
TRUMPF hat daher erstmals eine Lösung mit einem grünen Laser entwickelt. Die grüne Wellenlänge wird vom Kupfer deutlich besser absorbiert. Weil der Werkstoff somit seine Schmelztemperatur schneller erreicht, startet auch der Schweißprozess schneller und es ist weniger Laserleistung notwendig. Während der infrarote Laser mit 2,6 Kilowatt Pulsspitzenleistung arbeitet, genügen beim grünen Laser 1,4 Kilowatt für dieselbe Schweißnaht. Der Prozess ist energieeffizienter und es bilden sich deutlich weniger Spritzer. So werden bei jeder Art von Oberfläche Kupferschweißnähte mit stets gleichbleibender Qualität erzeugt.
„Neben Faktoren wie der richtigen Wellenlänge leisten auch die Laseroptiken einen entscheidenden Beitrag zur Präzision von Laserschweißverfahren“, erklärt Barbara Herdt, Produktingenieurin bei LASER COMPONENTS. „Sie bündeln den Laserstrahl mit seiner gesamten Energie auf einen kleinen Punkt. Wegen der hohen Energien der Industrielaser ist eine hohe Laserzerstörschwelle dabei ein entscheidender Faktor. Für spezielle Anforderungen lassen sich mit DOEs verschiedenste Strahlformen realisieren.“
Mit diesen und weiteren Laserverfahren für die Elektronikkomponenten können in etwas mehr als einer Minute alle rund 200 Schweißungen eines Elektromotors durchgeführt werden. So kommt mit dem Ladestecker, Stromwandler und Gleichrichter eine ganze Reihe neuer Leistungselektronik ins Auto.
Batterieproduktion
Beyond Borders
Neben der Herstellung von Motoren und Elektronik spielt die Lasertechnologie auch bei der Produktion der Batterien eine entscheidende Rolle. Allein in diesem Bereich hat TRUMPF bereits mehr als 500 Laser verkauft.
Die Batterien bestehen aus mehreren Schichten hauchdünner Kupfer- und Alufolien, die mit dem Laser zugeschnitten werden. Anschließend wird flüssiges Elektrolyt eingefüllt und die Batterie mit einem Deckel verschweißt. Diese Schweißungen müssen absolut dicht sein, denn wenn die Batterie im Betrieb kaputtgeht, besteht Brand- und Verletzungsgefahr. Von der Batteriezelle über das Batteriemodul hin zum Batteriepack übernimmt der Laser sämtliche Schweißvorgänge.
Die Laseranlagen besitzen Sensorsysteme und sind über eine Software mit einer Cloudlösung verbunden. Die Sensoren liefern Werte für die Qualitätssicherung und die Dokumentation, steuern aber auch das Schweißverfahren.
Digitalisierung für sichere Batteriefertigung
Bei der Batterieherstellung ist also nicht nur Know-how in der Lasertechnik gefragt, sondern auch in der Digitalisierung. Denn die Prozessüberwachung ist insbesondere bei der Batteriefertigung für Elektroautos eine wichtige Grundlage für eine stabile Produktion. „Die Batteriehersteller stehen vor dem Problem, dass sie die Funktionsfähigkeit der Batterie erst am Ende des Produktionsvorgangs testen können.“ „Sie brauchen die durchgängige Überwachung dieses Prozesses, um am Ende die Funktionsfähigkeit der Batterie sicherzustellen“, sagt Schmitz.
Zudem kann man mit der Digitalisierung Daten generieren, die für den Endkunden von Interesse sind. Dazu zählen neben Leistungs- und Geschwindigkeitsdaten auch Sensordaten, die das Schweißergebnis wie die Nahtbreite aufführen.
Der Hersteller kann damit die Qualität der Produktion dokumentieren, erkennt Abweichungen von der Norm und kann frühzeitig eingreifen. Außerdem setzen die Hersteller zunehmend auf maximale Flexibilität ihrer Anlagen. Sie produzieren auf ein und denselben Produktionslinien verschiedene Motorisierungen – sowohl Verbrenner als auch E-Autos. Diese Flexibilität erreicht man nur, wenn Systeme digitalisiert und intelligent vernetzt sind.
Nicht nur Autos fahren elektrisch
Das Marktpotenzial der Elektromobilität beginnt gerade erst, sich voll zu entfalten, denn Mobilität per elektrischem Traktionsantrieb bedeutet nicht nur E-Autos. Vollelektrische Lkw mit Oberleitungen sind in Schweden und Deutschland gerade streckenweise im Praxistest.
In Norwegen fährt schon heute die erste rein akkubetriebene Passagier- und Autofähre; in vielen Teilen der Welt setzen Kommunen auf elektrische Kehrmaschinen und Streufahrzeuge; die ersten vollelektrischen Traktoren ziehen bereits leise Furchen durch Äcker; Fahrräder mit Unterstützung durch einen Elektromotor erfreuen sich seit Jahren wachsender Beliebtheit; besonders in Ost- und Südostasien sind Elektroroller ein Markt mit Millionen verkauften Stück pro Jahr.
Alle diese E-Vehikel brauchen Batterien, Leistungselektronik und Elektromotoren.
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Laseroptik
für komplexe Anwendungen
Entscheidend ist die Optik
Die Lasermaterialbearbeitung gehört heute in vielen Bereichen zum Produktionsalltag. Einsatzbereich und Qualität eines Industrielaser hängen dabei nicht zuletzt von der Form und Lenkung des Strahls ab – also von den in der Maschine verwendeten optischen Komponenten.
Bei LASER COMPONENTS erarbeiten wir mit Ihnen gemeinsam eine Lösung, die genau an Leistung, Wellenlänge und Verwendungszweck Ihres Industrielasers angepasst ist. Bei der Optikfertigung im eigenen Haus können wir mit unterschiedlichen Beschichtungsverfahren sicherstellen, dass Sie immer die passende Optik in der besten Qualität erhalten – egal, ob es sich um ein Einzelstück handelt oder um eine ganze Serie.
Produktauswahl
Gesamtphasenverschiebung über einen großen Wellenlängenbereich bleibt annähernd konstant.
Asphärische Linsen korrigieren Abbildungsfehler – Bei monochromatischem Licht sind dies Bildschärfefehler und Verzeichnung.
Auskoppelspiegel mit High-Power Coatings und cw-/fs-Beschichtung. Beliebige Einfallswinkel realisierbar.
Brewster-Platten werden verwendet, um s- und p-polarisiertes Licht zu trennen.
Dichroitische Spiegel zur Kombination oder Separation von zwei oder mehr Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge.
Korrekturen von Abbildungsfehlern mit einem einzelnen Element.
Zur Strahlprofil-Änderung werden diffraktive optische Elemente wie Strahlformer, Diffusor, Homogenisierer oder Vortex-Linsen verwendet.
Sollen mit einem Element mehrere Strahlen erzeugt werden, so ist der Einsatz von DOEs ideal.
Kunststoff DOEs zur Strahlformung oder Strahlteilung für mittlere und niedrige Leistungen.
Diffraktive ZnSe-Optiken für den typischen Wellenlängenbereich im nahen und fernen IR
Ausgelegt für die Er:YAG-Laser mit der Wellenlänge 2,94 µm wurden DOEs aus Saphir für den Einsatz in der Medizintechnik entwickelt.
ZUR OPTIMALEN EINKOPPLUNG DER PUMPLEISTUNG IN DEN RESONATOR.
LASER COMPONENTS Germany – Ihr kompetenter Partner für optische und optoelektronische Komponenten in Deutschland.
Willkommen bei der LASER COMPONENTS Germany GmbH, Ihrem Experten für Komponenten in der Photonik. Unser breites
Produktsortiment an Detektoren, Laserdioden, Lasermodulen, Optik, Faseroptik und mehr ist jeden Euro (€/EUR)
wert. Mit maßgeschneiderten Lösungen decken wir alle denkbaren Anwendungsbereiche ab: von der Sensortechnik bis
zur Medizintechnik.
Sie erreichen uns hier:
Werner-von-Siemens-Str. 15
82140 Olching
Deutschland
Tel.: +49 8142 2864-0
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