Einsatz von CO₂-Lasern zum Hochgeschwindigkeits-Abisolieren von Kontakten an Sammelschienen bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen. Schnelles und effizientes Entfernen der Isolierung von elektrischen Sammelschienen mithilfe von CO₂-Lasern. Möglichkeit einer einfachen und schnellen Integration in bestehende Automobilfertigungslinien.

Da sich die Automobilhersteller auf die Produktion von Elektrofahrzeugen (EV) in größeren Stückzahlen vorbereiten, wird jeder Aspekt ihrer Fertigung optimiert. Das Ziel ist natürlich, die Produktionskosten zu senken und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Fahrzeuge zu verbessern.

Ein wichtiger Bestandteil von Elektrofahrzeugen sind elektrisch leitfähige Kabel, die die Energie im gesamten Fahrzeug verteilen. Diese werden als Stromschienen bezeichnet. Angesichts der hohen Stromstärken, die sie übertragen müssen, sind Sammelschienen nicht einfach nur Drähte. Es handelt sich um dicke, bandförmige Leiter (typische Abmessungen liegen bei 12 mm Breite × 3 mm Dicke) mit einer Isolierung um sie herum. Das Metall selbst besteht meist aus Kupfer oder manchmal aus Aluminium. Die Isolierung besteht aus Kunststoff (in der Regel Polyamid PA12).

Das isolierte Schienenmaterial wird oft in langen Längen auf einer Spule geliefert, genau wie herkömmliche Leiter. Der Automobilhersteller schneidet die Spule auf die gewünschte Länge zu und biegt sie in die erforderliche Form. Diese Formen können relativ komplex sein, da sie um die unterschiedlichsten anderen Bauteile und Strukturen im Fahrzeug herumgeführt werden müssen, damit die elektrische Energie dorthin gelangt, wo sie benötigt wird. Zu einem bestimmten Zeitpunkt der Fertigung muss an beiden Enden der Schiene ein Teil der Isolierung entfernt (abisoliert) werden. Dies ist für die elektrische Verbindung mit anderen Bauteilen unerlässlich. Automobilhersteller stellen an diesen Prozess mehrere spezifische Anforderungen:

  • Erstens muss das Abisolieren schnell erfolgen, damit es kosteneffizient ist und die Produktion nicht behindert. Das bedeutet, dass etwa 25 mm (1 Zoll) Isolierung innerhalb weniger Sekunden entfernt werden müssen.
  • Zweitens muss die Isolierung vollständig entfernt werden. Isolierungsreste im abisolierten Bereich können nämlich die elektrische Verbindung beeinträchtigen und dadurch Energie verschwenden (den Wirkungsgrad des Fahrzeugs verringern). Zudem sind die Enden der Stromschienen häufig an andere Leiter oder Batterien angeschweißt. Jeder Kunststoff, der auf der Oberfläche des Leiters zurückbleibt, verunreinigt die Schweißnaht, was deren elektrische und mechanische Eigenschaften verschlechtert.
  • Und schließlich darf der Leiter selbst durch das Abisolieren nicht beschädigt werden. Dies könnte seine mechanische Festigkeit verringern oder den elektrischen Widerstand erhöhen und so eine mögliche Fehlerquelle schaffen.

All diese Gründe schließen das Entfernen der Isolierung mit mechanischen Methoden, beispielsweise mit einem Messer oder einem Schaber, im Grunde genommen aus. Zudem ist es schwierig, die Isolierung mit einem Messer von einer gekrümmten oder speziell geformten Oberfläche zu entfernen.

Entfernung der Isolierung von Sammelschienen mit dem Laser

Angesichts dieser Anforderungen sind Laser ein hervorragendes Werkzeug zum Entfernen der Isolierung von Stromschienen. Der Laservorgang ist nämlich völlig berührungslos und lässt sich leicht für die Bearbeitung gekrümmter Teile konfigurieren. Dadurch ist die Laserbearbeitung schnell und flexibel. Insbesondere CO₂-Laser eignen sich ideal für diese Aufgabe. Das liegt daran, dass ein CO₂-Laser einen Strahl mit einer Wellenlänge und spezifischen Eigenschaften erzeugt. Dieser Strahl wird von den meisten für die Isolierung verwendeten Kunststoffen sehr stark absorbiert und gleichzeitig von Kupfer stark reflektiert. Das bedeutet, dass der Laserstrahl die Isolierung schnell verdampft, aber sobald er auf den darunterliegenden Leiter trifft, wird er harmlos von diesem zurückgeworfen (da Kupfer den CO₂-Laserstrahl lediglich reflektiert, anstatt ihn zu absorbieren). So lässt sich die Isolierung leicht entfernen, während das Kupfer völlig unversehrt bleibt.

Das Prinzip des Abisolierens von Sammelschienen in der Fertigung

Für den eigentlichen Abisoliervorgang wird der Laserstrahl auf einen kleinen Punkt auf der Sammelschiene fokussiert, an dem sich seine Energie konzentriert. Dieser fokussierte Strahl wird mithilfe eines Hochgeschwindigkeitsscanners hin und her bewegt, um den gesamten Bereich abzudecken, an dem die Isolierung entfernt werden soll. Das Ergebnis des Prozesses ist, dass die Energie des Laserstrahls die Isolierung in einem vordefinierten Bereich verdampft.

Einführung der Laser-Abisolierung von Sammelschienen in die Fertigung

Bei der Einführung der Laser-Abisolierung in der Fertigungsumgebung müssen einige wichtige praktische Aspekte berücksichtigt werden. So ist es beispielsweise möglich, zwei Laser einzusetzen, um die erforderliche Prozessleistung zu erreichen. Jeder von ihnen entfernt die Isolierung von einer Seite der Sammelschiene (in der Abbildung würde der zweite Laser also von unten einstrahlen). Dadurch entfallen auch Komplikationen bei der Handhabung des Bauteils, um auch die zweite Seite für das Abisolieren zugänglich zu machen. Außerdem ist es vorteilhafter, wenn der Laserstrahl schräg auf die Leiterleiste trifft. Dadurch werden zwei Dinge erreicht. Erstens wird so verhindert, dass der Laserstrahl zurückreflektiert wird und die Laseroptik beschädigt. Zweitens ermöglicht es dem Laser, die Isolierung sowohl vom oberen Teil als auch vom Rand der Anschlussleiste auf einmal zu entfernen (da der schräg einfallende Laserstrahl die Seite der Anschlussleiste „erfasst“).

Lösung eines Modellfalls zur Abisolierung von Sammelschienen

Das von uns entwickelte Lasersystem zum Abisolieren von Sammelschienen ist eine Komplettlösung. Das System umfasst zwei PowerLine C-Subsysteme sowie die gesamte zugehörige Scan- und Strahlführungsoptik zusammen mit der erforderlichen Steuerelektronik und Software. Das PowerLine C-System ist in der Lage, die Polyamid-Isolierung einer Sammelschiene auf einer Länge von 30 mm und einer Dicke von 0,5 mm auf beiden Seiten einer 6 mm breiten Sammelschiene in etwa 6 Sekunden zu entfernen. Das Abisolieren erfolgt ohne jegliche Beschädigung des Leiters, was eine hohe Prozessausbeute gewährleistet.

Es stehen zwei verschiedene Systeme zum Abisolieren von Sammelschienen zur Verfügung – eine Inline-Version und eine Standalone-Version.

  • Das Inline-System ist in eine Spulenvorschubvorrichtung integriert, die ein durchgehendes Band aus Sammelschienen zuführt. Der Laser entisoliert diese vor dem Schneiden und dem abschließenden Biegen. Das PowerLine C-System unterstützt zudem das „On-the-Fly“-Entisolieren, bei dem die Entisolierung ohne Verlangsamung oder Anhalten der Busbar-Bewegung erfolgt.
  • In der Standalone-Version entnimmt ein Roboterarm vorab zugeschnittene und gebogene Stromschienen und legt sie in das System ein, wo sie anschließend per Laser abisoliert werden.

Sehen Sie sich das schnelle und effiziente Abisolieren von Stromschienen in Aktion an:

Quelle: www.coherent.com