Nachhaltige E‑Auto-Fertigung durch grüne Laser von Trumpf

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.