Die Faserlaser Coherent ARM und SmartWeld+ übertreffen herkömmliche Schweißsysteme und erfüllen die höchsten Anforderungen an die Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge.
Der Trend zu höherer Fertigungspräzision hält natürlich schon seit mehreren Jahrzehnten an, da Autos immer komplexer und ausgefeilter werden. Laser haben bei diesem Wandel eine entscheidende Rolle gespielt. Heute werden sie routinemäßig für anspruchsvolle Prozesse eingesetzt, wie das Bohren kleiner, präzise geformter Düsenlöcher und das Schweißen hochentwickelter Stahllegierungen sowie von Getrieben.
Zur Umsetzung dieser Prozesse waren oft neue Methoden erforderlich. In einigen Fällen konnte jedoch keines der bestehenden laserbasierten Systeme alle Anforderungen erfüllen, sodass eine völlig neue Technologie entwickelt werden musste. Genau das ist bei einigen Fertigungsschritten der Fall, die derzeit in die Praxis umgesetzt werden – insbesondere bei denen, die mit der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge zusammenhängen. Einige dieser Schritte erfordern nämlich die Bearbeitung sehr dünner und wärmeempfindlicher Materialien. Diese Prozesse müssen schnell genug und mit einer ausreichend hohen Ausbeute durchgeführt werden, um wirtschaftlich rentabel zu sein.
Schneiden und Schweißen von Folien
Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist das Zuschneiden eines Stapels dünner Aluminium- und Kupferfolien (Elektrodenstapel) und deren anschließende Verbindung mit dem Batterieanschluss. Jeder Hersteller führt diese Prozesse anders durch. Die gängigste Methode beginnt mit dem Verkleben des zusammengesetzten Stapels mittels Ultraschallschweißen (üblicherweise als „Stack-“ oder „Pre-Welding“ bezeichnet). Dadurch werden die Folien so weit miteinander verbunden, dass sie für die anschließende Handhabung mechanisch stabil sind. Dies soll jedoch nicht die endgültige Schweißnaht der Baugruppe sein.
Die Ränder des Stacks werden anschließend mit einem mechanischen Messer beschnitten. Das Besäumen erfüllt mehrere wichtige Funktionen: Es sorgt für einen gleichmäßigen Rand, der frei von Unebenheiten und maßgenau ist. Durch das Besäumen werden außerdem alle Verunreinigungen von den Rändern entfernt, beispielsweise Oxidation, was in den nachfolgenden Schritten zu besseren Ergebnissen führt. Nach dem Beschnitt und dem Schweißen ist der Stack stabil genug, um weiterbearbeitet zu werden. In der Regel wird er für den nächsten Schritt in eine andere Vorrichtung überführt, wo er an den Batterieausgang angeschweißt wird. Verschiedene Hersteller verwenden für diesen Schritt entweder Ultraschall- oder Laserschweißen.
Dieser Ansatz hat mehrere Nachteile. Erstens erzeugt das Ultraschallschweißen nicht immer eine ausreichend starke Verbindung, die den gesamten Stack durchdringt. Dies führt dazu, dass der Stack beim Transport anfällig für Risse oder Beschädigungen ist. Das Ultraschallschweißen von Stapeln schränkt zudem die Gesamtzahl der Folien ein, die verwendet werden können. Dies ist wichtig, da die Energiespeicherkapazität der Batterie mit der Anzahl der Folien zunimmt. Für Batteriehersteller ist es daher wichtig, die Anzahl der Folien beliebig erhöhen zu können. Das Ultraschallschweißen unterliegt zudem praktischen Einschränkungen. Die dafür erforderlichen Werkzeuge nutzen sich schnell ab, was einen häufigen Austausch erfordert. Dies bedeutet Produktionsausfälle und zusätzliche Kosten.
Sowohl das Ultraschall- als auch das Laserschweißen sind auch beim Verbinden von Folien mit Platten problematisch. Beim Ultraschallschweißen ist wiederum die Eindringtiefe und damit auch die Anzahl der Folien begrenzt. Die Schweißnähte zwischen Folie und Platte können Risse und „Mikroausbrüche“ aufweisen. Dabei handelt es sich um einen lokal begrenzten Bereich, in dem die Folie dünner geworden ist. In der Regel entsteht dies durch Zugspannungen, die beim Schweißen auftreten und das Material dehnen. Die Folie ist jedoch nicht formbar genug, um sich als Reaktion auf diese Spannung gleichmäßig über ihre gesamte Breite zu verformen. Die Verformung des Halsbereichs stellt ein ernstes Problem dar, da sie im Material eine mechanisch schwächere Zone bildet, die anschließend weiter brechen oder sich verformen kann. Die Verringerung des Folienquerschnitts erhöht zudem ihren elektrischen Widerstand, was die Lade- und Entladeeigenschaften der Batterie verändern kann.
Ein innovativer Ansatz
Um die Einschränkungen des Ultraschall- und des herkömmlichen Faserlaserschweißens in diesen Anwendungen zu überwinden, ist ein hohes Maß an Kontrolle darüber erforderlich, wie die Laserleistung in den Prozess eingebracht wird – sowohl hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Leistung als auch hinsichtlich ihrer zeitlichen Veränderung. Der erforderliche Grad an Kontrolle übersteigt die Möglichkeiten herkömmlicher ferngesteuerter Lasersysteme, die in erster Linie für das Schweißen größerer und dickerer Bauteile wie beispielsweise Karosserien oder Antriebskomponenten ausgelegt sind.
Das Coherent SmartWeld+-System wurde speziell entwickelt, um dieses Maß an Kontrolle und Präzision zu bieten. Sein volles Potenzial entfaltet es in Verbindung mit einem einstellbaren Faserlaser im Ringmodus. Das SmartWeld+-System nutzt eine breite Palette von „Strahlschwankungsmustern“ (schnelle Oszillationen), die die Laserenergie auf eine weitaus größere Fläche als nur den fokussierten Laserpunkt verteilen, wobei die Leistung je nach Bedarf räumlich variiert. Die Leistungsverteilung innerhalb des ARM-Strahls selbst lässt sich dynamisch verändern, wodurch die gesamte Verteilung der Laserenergie auf die Arbeitsfläche weiter optimieren wird.
Ein weiteres Schlüsselmerkmal dieser Kombination ist die Geschwindigkeit. Das SmartWeld+-System nutzt kleine Spiegel mit geringer Trägheit. Diese decken zwar ein kleineres Sichtfeld ab, bewegen sich jedoch wesentlich schneller (bis zu 10-mal) als herkömmliche Laserschweißköpfe. Hinzu kommt, dass sich bei der Coherent ARM-Laserquelle die Leistung des zentralen und des kreisförmigen Strahls schnell und unabhängig voneinander modulieren lässt. Diese Modulation lässt sich zudem sehr präzise mit der Bewegung der Scanspiegel synchronisieren. All dies zusammen ermöglicht ein bisher unerreichtes Maß an räumlicher und zeitlicher Kontrolle über die Verteilung der Laserleistung.
Verbessertes Schweißen von Batterien
Der Geschwindigkeitsvorteil der SmartWeld+-Technologie lässt sich besonders gut beim Schweißen im Magazin nutzen, wo sie es ermöglicht, Schneid- und Schweißvorgänge in einem einzigen Prozess zu vereinen. Zu diesem Zweck wird sie in der Regel mit einem monomodalen Faserlaser wie dem Coherent HighLight FL kombiniert. Diese Anwendung erfordert zwar nicht den Grad an Steuerung, der mit dem HighLight FL-ARM erreicht werden kann, verlangt jedoch eine hervorragende Synchronisation zwischen der Bewegung des Scanners und der Modulation der Laserleistung. Bei diesem Verfahren scannt das SmartWeld+-Gerät den Laserstrahl wiederholt schnell über die Folie. Dabei erfolgen Schneiden und Schweißen gleichzeitig. Dies spart Zeit, da kein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich ist. Die auf diese Weise erzeugte Laserschweißnaht ist fester als eine durch Ultraschallschweißen erzielte Schweißnaht. Dadurch lässt sich die geschweißte Folie besser handhaben, was die Gesamtausbeute der Produktion verbessern kann.
Coherent ist der erste Hersteller von Lasersubsystemen, der eine neue Produktgeneration entwickelt hat, die speziell darauf ausgelegt ist, die Anforderungen der anspruchsvollsten Montagevorgänge bei Batterien für Elektrofahrzeuge zu erfüllen. Insbesondere der Coherent ARM-Faserlaser und der SmartWeld+-Prozesskopf können die Anzahl der Fertigungsschritte reduzieren und bei einigen der kritischsten Vorgänge im Zusammenhang mit der Montage von Batterien mit Gehäusen und prismatischen Zellen bessere Ergebnisse gewährleisten.
Der nächste Prozessschritt, das Verschweißen der Folie mit der Platte, ist anspruchsvoller; daher ist es notwendig, den SmartWeld+ mit einem Einmoden-ARM-Laser mit einer Leistung von mehreren kW (HighLight FL4000CSM-ARM) zu kombinieren, um optimale Ergebnisse zu erzielen. In diesem Fall hat das Anwendungsteam von Coherent Labs eine innovative, patentierte Lösung entwickelt, bei der der Laserstrahl in einem Winkel (und nicht direkt von oben) auf die Kante des Stacks gerichtet wird. Anschließend lässt das SmartWeld+-System den Strahl schnell oszillieren, sodass die gesamte Höhe des Stapels und die Batterieverbindungen abgedeckt werden. Die Gesamtleistung des Lasers und die Leistungsverteilung im ARM-Strahl ändern sich dabei synchron mit der Bewegung des Strahls. Der Erfolg dieser Methode hängt davon ab, wie präzise der Rand des Stacks abgeschnitten wurde, weshalb die Genauigkeit des vorangegangenen Schweißvorgangs am Stack entscheidend ist.
Es zeigt sich, dass die Ausführung einer schrägen Schweißnaht der Schlüssel zur Vermeidung von Mikrorissen ist. Denn sie ermöglicht es dem SmartWeld+ und dem ARM-Faserlaser, Wärme so auf den Stack aufzubringen, dass thermisch induzierte Spannungen minimiert werden. Dadurch schrumpfen die Folien beim Abkühlen nicht, was andernfalls zu mikroskopischen Materialschäden führen würde.
Die unabhängige Strahlmodulation des ARM sorgt zudem für eine bessere Schweißverbindung. Konkret gewährleistet sie die erforderliche Kontrolle zur Stabilisierung des „Schlüssellochs“ der Schweißnaht, was zu einer Verringerung von Spritzern, Porosität und einer geringeren Fehlerquote führt. Die Schweißverbindung selbst weist eine hervorragende mechanische Festigkeit auf, was sich in einer guten elektrischen Leitfähigkeit niederschlägt. Beim Laserschweißen entsteht zudem kein Metallstaub, der beim Ultraschallschweißen ein Problem darstellt. Neben der Verbesserung der Schweißnahtqualität besteht ein weiterer Vorteil des Kanten-Schweißverfahrens darin, dass es praktisch bei jeder Stapelhöhe angewendet werden kann. Hersteller können so bei Bedarf die Anzahl der Folien erhöhen und damit die Kapazität der gesamten Batteriezelle steigern.
Partnerschaft für den Erfolg
Die Bewältigung der Herausforderungen bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen, aber auch beispielsweise von Elektromotoren, erfordert oft neue und innovative Lösungen. Herkömmliche Werkzeuge, die sich in der Vergangenheit für andere Anwendungen bewährt haben, verfügen manchmal nicht über die für diese anspruchsvollen Prozesse erforderlichen Eigenschaften. Der Schlüssel zum Erfolg liegt zunächst darin, die einzigartigen Herausforderungen zu verstehen, denen jede Anwendung gegenübersteht. Coherent bietet technisches Know-how und die Bereitschaft, gemeinsam mit den Herstellern die kritischen Parameter zu identifizieren und zu charakterisieren, die über den Erfolg entscheiden. Beispielsweise war das Phänomen der Mikrorisse beim Schweißen von Batteriefolien in der Branche kaum bekannt, bis wir begannen, an dieser Anwendung zu arbeiten. Unser Team hat es jedoch genau identifiziert und eine Lösung entwickelt, um diese Risse zu beseitigen.
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