
In Zusammenarbeit mit DESY und Fraunhofer ILT konnte erstmals nachgewiesen werden, dass sich beim Schweißen von Hochleistungselektronik durch den Einsatz von Lasern mit grüner Wellenlänge Rohstoffe einsparen lassen.
Beim Schweißen von Hochleistungselektroniken lassen sich eine Menge Rohstoffe sparen, wie eine Untersuchung beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Helmholtz-Gemeinschaft in Hamburg ergeben hat. Hochleistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie in jedem E‑Auto und sorgt für die beste Leistung von Batterie und Motor. Die Hamburger Forscher haben gemeinsam mit dem Technologieunternehmen Trumpf und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Laserschweißprozesse untersucht, die bei der Herstellung von E‑Autos zum Einsatz kommen. Röntgenstrahlung, Laserquellen und Schweißprozesse wurden von Trumpf, Fraunhofer ILT, DESY und dem Helmholtz-Zentrum Hereon hochspezialisiert eingebracht. Dadurch konnten erstmals Einblicke geliefert werden, die für das Auge und selbst für Mikroskope unsichtbar sind. Das Ergebnis: Bei Verwendung eines Lasers mit grüner Wellenlänge entsteht weitaus weniger Ausschuss als bei anderen Laserschweißverfahren. Autohersteller sparen Rohstoffe und tragen damit zu nachhaltigerer Fertigung bei.
Teilchenbeschleuniger gibt detaillierte Einblicke
Für ihre Untersuchung nutzten die Projektpartner die Röntgenstrahlung des Teilchenbeschleunigers am Hereon-Versuchsaufbau, um Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit mehreren tausend bis zehntausend Bildern pro Sekunde zu machen. “Wir wollten mithilfe der Untersuchungen am Teilchenbeschleuniger genau wissen, was beim Kupferschweißen den Unterschied macht. Ein stabiler Schweißprozess ist wichtig, da die Hersteller von Elektrofahrzeugen mehrere Milliarden Verbindungen in höchster Qualität schweißen müssen“, sagt Marc Hummel, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT. In Zukunft wollen Trumpf und das Fraunhofer ILT die Forschung auf andere Bereiche wie 3D-Druck, Laserschneiden und Laserstrahlbohren mit Ultrakurzpulslasern ausdehnen und weitere Industriepartner einbinden.
E‑Mobilität: Weniger Ausschuss dank Laser mit grüner Wellenlänge
Die Elektromobilität stellt die Lasertechnik vor große Herausforderungen, da Kupfer das wichtigste Material für die Fertigung von Kernkomponenten für die E‑Mobilität ist. Das Buntmetall absorbiert nur etwa 5 Prozent der Laserstrahlung im nahen Infrarot-Bereich (NIR) und leitet die Wärme sehr gut ab. Beides führt zu erheblichen Problemen beim Schweißen, weshalb die Prozesse auf dem Prüfstand stehen. Trumpf bietet neben NIR-Lasern auch Laser mit grüner Wellenlänge an. “Laser mit grüner Wellenlänge sind die Lösung des Problems. Tatsächlich lässt sich Kupfer mit diesen Lasern besser schweißen”, sagt Mauritz Möller, Branchenmanager Automotive bei Trumpf. Kupfer absorbiert die grüne Wellenlänge deutlich besser als die infrarote. Dadurch erreicht der Werkstoff seine Schmelztemperatur schneller, was auch den Schweißprozess schneller starten lässt und weniger Laserleistung benötigt. “Stabilere Prozesse beim Schweißen bedeuten weniger Ausschuss und damit auch mehr Nachhaltigkeit, was bei der E‑Mobilität ein großes Thema ist”, sagt Mauritz Möller.
Experimente am Teilchenbeschleuniger
Experten vom Fraunhofer ILT und dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen nutzen für die genaue Untersuchung von Schweißprozessen die Röntgenlichtquelle PETRA III am Versuchsaufbau des Helmholtz-Zentrums Hereon. “Herkömmliche Verfahren sehen eigentlich nur die elektromagnetischen Emissionen aus dem Plasma. Mit der Strahlung von DESY können wir nicht nur in die Schmelze hineinschauen, wir können sogar die schmelzflüssige Dynamik sichtbar machen“, erklärt Marc Hummel.
Dazu hat ein Team des Fraunhofer ILT und von Trumpf bei DESY Laserschweißprozesse mit zwei verschiedenen Lasersystemen untersucht: Einen NIR-Laser und einen Laser mit grüner Wellenlänge. „Für uns ist das eine großartige Chance, um die Schweißprozesse an Industrieteilen zu untersuchen. Wie entstehen zum Beispiel Spritzer und Poren, wie wirkt sich die Wärme aus dem Schweißprozess auf empfindliche Komponenten wie Elektronikbauteile aus”, sagt Mauritz Möller.