In der sich dynamisch entwickelnden Elektromobilitätsbranche sehen sich die Hersteller von Elektrofahrzeugen einem wachsenden Druck ausgesetzt, ihre Produktionsprozesse zu optimieren und Kosten zu senken, ohne dabei Kompromisse bei der Qualität einzugehen. Einer der wichtigsten Aspekte ist das effiziente Abisolieren und Reinigen von Litzen – feinen Leitern in Elektromotoren –, bei denen herkömmliche mechanische Verfahren oft an ihre Grenzen stoßen. Das Unternehmen Coherent präsentiert ein innovatives zweistufiges Laserverfahren, das CO₂- und UV-Laser kombiniert und damit eine hochwertige und kosteneffiziente Lösung für die Serienfertigung von Elektromotoren bietet.

Ein Hindernis bei den „Haarfäden“

Die Wicklungen von Elektromotoren bestehen in der Regel aus einzelnen Kupferdrähten. Diese werden in die Form des Buchstabens „U“ gebogen (daher der Name „Haarnadel“) und anschließend in die Baugruppe eingesetzt. Anschließend werden die Enden benachbarter Haarnadeln miteinander verschweißt, um sie elektrisch zu verbinden und eine einzige durchgehende Wicklung zu bilden. Einige alternative Konstruktionen verwenden darüber hinaus einen durchgehenden Flachdraht, der zu einem Wellenmuster geformt ist (sogenannte Wellenwicklung oder S-Wicklung), der vor dem Verschweißen in die Nuten des Stators eingelegt wird.

Beispiel für das Laserschweißen von Litzenpaaren mit dem Faserlaser-Scanner ARM HIGHmotion 2D der Firma Coherent.

Die Wicklung ist bei allen Elektromotoren isoliert. Bei Haarmotoren muss die Isolierung dicker und robuster sein, um ihrer kompakten Bauweise und den für Elektrofahrzeuge typischen Hochspannungsanforderungen gerecht zu werden.

Vor dem Schweißen muss an beiden Enden jedes Haarmotors eine kleine Menge dieser Isolierung entfernt werden. Dies ist entscheidend für die Gewährleistung hochwertiger elektrischer und mechanischer Verbindungen.

Traditionell wird diese Aufgabe vor allem mit mechanischen Verfahren durchgeführt; es wird auch ein einstufiges Laserverfahren mit infraroten (1 µm) Pulslasern eingesetzt. Beim mechanischen Abisolieren kommt ein Schneidwerkzeug zum Einsatz, das in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Leiters steht und die Isolierung abkratzt. Obwohl diese Verfahren seit Jahren Standard sind, stellen sie in der schnelllebigen Welt der Elektrofahrzeugproduktion (EV) erhebliche Probleme dar.

Beispielsweise entfernt der für die mechanische Abisolierung erforderliche physische Kontakt eine Kupferschicht vom Stift und hinterlässt eine strukturierte Oberfläche, was zu Lücken und Problemen bei der Passgenauigkeit der Teile zwischen den Stiften führt und somit die Integrität und Konsistenz der Schweißnähte gefährdet. Darüber hinaus kommt es zum Verschleiß der mechanischen Werkzeuge, was zu Prozessinkonsistenzen, häufigen Wartungsarbeiten, ungeplanten Ausfallzeiten und potenziellen Produktionsunterbrechungen führt. Diese Probleme werden durch die geringere Prozessgeschwindigkeit noch verstärkt, die kaum mit den hohen Produktionsanforderungen der Elektrofahrzeugindustrie Schritt halten kann.

Das zweistufige Laser-Abisolieren ist eine Klasse besser

Laser werden in einer Vielzahl von Anwendungen zum Materialabtrag eingesetzt, darunter auch zum Entfernen von Isolierungen. In diesem Zusammenhang gehören zu den Vorteilen der Laserbearbeitung:

Es liegt auf der Hand, dass die Laserbearbeitung Prozessverbesserungen mit sich bringen kann. Die eigentliche Frage ist jedoch, welcher Laser am besten geeignet ist. Mit anderen Worten: Welche der vielen möglichen Laserquellen und Umsetzungen, die diesen Prozess durchführen könnten, bietet das beste Verhältnis von Qualität, Geschwindigkeit und Kosten für die Großserienfertigung von Elektromotoren?

Optimierung des Laserprozesses

Als führender Anbieter nahezu aller Arten von Industrielasern ist Coherent in der einzigartigen Lage, diese Anwendung objektiv zu untersuchen, ohne einer bestimmten Technologie von vornherein den Vorzug zu geben. 

Tatsächlich haben sie keinen „besten“ Laser für das Abisolieren von Litzen gefunden. Stattdessen haben unsere Anwendungsingenieure ein Zwei-Laser-Verfahren entwickelt, um eine optimale Beschichtungsentfernung zu erzielen. Dieser Ansatz bietet unseren Kunden heute die beste Oberflächenqualität vor dem Schweißen bei geringsten Kosten. Die Hauptmotivation für die Erforschung des Zwei-Laser-Verfahrens war die Überwindung der Probleme beim einstufigen Laser-Entlacken. 

Die einstufige Laserbearbeitung ist ein Kompromiss zwischen der Absorption der Beschichtung und der des darunterliegenden Kupfers. Die Wellenlänge des Faserlasers nahe 1 µm wird von der Beschichtung nicht leicht absorbiert, was zu einer Erwärmung an der Grenzfläche und zum Abblättern der Beschichtung in Luftpartikel führt. Diese Partikel können den einfallenden Laserstrahl stören, die Reinheit des Stifts beeinträchtigen und sich im System festsetzen, was zu häufigen Stillständen aufgrund von Reinigungsarbeiten führt.  Zudem ist der durchdringende Infrarotstrahl des Faserlasers nicht in der Lage, Polymerrückstände vollständig von der Kupferoberfläche zu entfernen. Er kann die Oberfläche des Kupferdrahtes schmelzen und darin enthaltene Bestandteile des Polymerisoliermaterials wie Wasserstoff und Kohlenstoff freilegen. Dies kann zu einer Verunreinigung der Oberfläche führen und die Qualität der anschließenden Schweißnaht beeinträchtigen.

Der zweistufige Prozess zur Laservorbereitung von Litzen von Coherent umfasst:

Für den Schritt der Volumenschälung hat sich der Coherent J-5-10,6-µm-Laser als ideale Quelle bewährt. Obwohl für die Haarspangenisolierung eine Reihe verschiedener Materialien verwendet wird (darunter Polyimid, Polyetherimid, Polyester, Polyesterimid, Polyamid, Polyetheretherketon, Epoxidharze und verschiedene Fluorpolymere) verwendet werden, absorbieren alle die Ausgangswellenlänge von 10,6 µm dieses Lasers stark. Bei all diesen Materialien ist die Absorption bei einer Wellenlänge von 10,6 µm höher als bei anderen verfügbaren CO₂-Laserwellenlängen, die wir anbieten, beispielsweise 9,4 µm und 10,2 µm.

Der Coherent J-5-10,6 µm verfügt zudem über wünschenswerte praktische Eigenschaften. Es handelt sich um einen vollständig gekapselten gepulsten CO₂-Laser, der eine durchschnittliche Leistung von über 400 W erzeugt, was bedeutet, dass er hochleistungsfähiges Abtragen durchführen kann. Zudem handelt es sich um ein eigenständiges und kompaktes System, das sich ideal für die Integration in automatisierte Anlagen eignet.

Für den abschließenden Reinigungsschritt bietet der Avia LX 355-30-60 HE die richtige Kombination von Ausgangsparametern. Es handelt sich um einen diodengepumpten Festkörperlaser mit dreifacher Frequenz, der bei einer Wellenlänge von 355 nm eine durchschnittliche Leistung von 30 W liefert. Und was am wichtigsten ist: Er unterstützt den Betrieb bei einer Wiederholfrequenz von bis zu 300 kHz und einer Pulsenergie von bis zu 500 µJ. Dies ermöglicht eine hochpräzise Ablation mit der für diese Anwendung erforderlichen Geschwindigkeit.

Der Avia LX 355-30-60 HE ist zudem für eine einfache Integration ausgelegt. Der eingebaute aktive Laser-Reinigungsmotor Coherent PureUV™ gewährleistet eine außergewöhnliche Lebensdauer und einen wartungsfreien Betrieb.

Schweißergebnisse

Das Anwendungslabor untersuchte eine Reihe verschiedener Verfahren, bevor es zu der soeben beschriebenen zweistufigen Kombination gelangte. Verschiedene Laser, darunter CO₂-Laser, nanosekundengepulste IR-Faserlaser und nanosekundengepulste UV-Laser, wurden sowohl einzeln als auch in Kombination untersucht. Die Ergebnisse der Bearbeitung isolierter Haarsträhnen wurden detailliert analysiert, und nach der Identifizierung der vielversprechendsten Quellen wurden die spezifischen Prozessparameter optimiert.

Teil der Untersuchungen war die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), die zur Analyse der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche sowie zur Charakterisierung und Quantifizierung von Verunreinigungen eingesetzt wurde. Dabei haben wir festgestellt, dass ein zweistufiger Laserentfernungsprozess (CO₂ in Kombination mit einem UV-Laser) das wirksamste Mittel ist, um alle Restelemente vor dem Laserschweißen von der Kupferoberfläche zu entfernen.

Diese Fotoserie vergleicht verschiedene Abtragstechniken unter Verwendung von CO₂, ns-IR-Faserlasern (FL) und ns-UV-Festkörperlasern. In der oberen Reihe der Fotos diente Polyamid (PA) als Isoliermaterial, in der unteren Reihe Polyetheretherketon (PEEK). Schon eine rein visuelle Untersuchung zeigt, dass die Kombination aus CO₂- und UV-Laser in beiden Fällen am besten abschneidet. Dies wurde auch durch tatsächliche Schweißversuche bestätigt.

Der wichtigste Indikator ist natürlich die Qualität der nach der Beschichtungsentfernung erzielten Schweißnähte. Die folgende Grafik zeigt eine Reihe von Röntgenaufnahmen der geschweißten Haarsträhnen. Daraus geht hervor, dass der zweistufige Prozess (CO₂- + UV-Laser) letztendlich qualitativ hochwertigere Schweißnähte liefert. Die zweistufige Beschichtungsentfernung mit CO₂ + UV-Laser minimiert die Porosität der Schweißnaht, indem sie vor dem Schweißen die Polymerrückstände auf der Oberfläche entfernt. Es ist bekannt, dass Polymerrückstände Wasserstoff, Kohlenstoff und andere organische Elemente enthalten, die im flüssigen Zustand in das Schmelzbad gelangen und während des Erstarrens der Schweißnaht Poren bilden können. Die Porosität beeinflusst die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Schweißnaht.

Röntgenaufnahmen von Schweißperlen bei Anwendung der drei Entfernungsstrategien. Der Festkörper-CO₂-Laser + UV weist eindeutig die höchste Schweißnahtqualität (niedrigster Porengehalt) auf.