Deutsche Teamexperimente beweisen: Mit Green-Light-Laserschweißen in der Automobilelektronik können Rohstoffe deutlich eingespart werden

Ein gemeinsames deutsches Forschungsteam kündigte kürzlich eine Weiterentwicklung an, bei der es gemeinsam daran gearbeitet hat, den bisher detailliertesten Einblick in den Laserschweißprozess zu liefern. Das gemeinsame Team hat erstmals deutlich gezeigt, dass beim Schweißen von Hochleistungselektronik durch den Einsatz von Lasern mit grüner Wellenlänge Rohmaterial eingespart werden kann.
In das Team fließen die Ergebnisse einer Untersuchung ein, die in Zusammenarbeit von TRUMPF, dem Fraunhofer ILT und DESY, einem großen Forschungsinstitut für Teilchenphysik der Deutschen Helmholtz-Gemeinschaft, durchgeführt wurde. Jedes Elektrofahrzeug ist mit Hochleistungselektronik als Schlüsseltechnologie ausgestattet, die für eine optimale Leistung von Batterie und Motor sorgt.
Mehrere der oben genannten Unternehmen und Institutionen arbeiten gemeinsam an Laserschweißverfahren für die Herstellung von Elektrofahrzeugen und bringen dabei ihr hochspezialisiertes Wissen über Röntgenstrahlen, Laserquellen bzw. Schweißverfahren ein. Sie haben herausgefunden, dass bei der Verwendung von Lasern mit grüner Wellenlänge die Ausschussrate viel geringer ist als bei anderen Laserschweißverfahren, was den Automobilherstellern dabei hilft, erhebliche Rohstoffeinsparungen zu erzielen und eine nachhaltigere Fertigung zu fördern.
Während der Studie machten sie Hochgeschwindigkeitsbilder mit mehreren Tausend bis 10 {2}} Bildern pro Sekunde, in der Hoffnung, mithilfe von Partikel-Gaspedal-Röntgenstrahlen genau zu verstehen, was den Unterschied in den Kupferschweißergebnissen verursacht.
Marc Hummel, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Technologie (Fraunhofer ILT), wies darauf hin, dass ein stabiler Schweißprozess wichtig sei, da Hersteller von Elektrofahrzeugen häufig Milliarden hochwertiger Verbindungen herstellen müssten. Zukünftig wollen TRUMPF und das Fraunhofer ILT ihre Forschung auf weitere Bereiche wie 3D-Druck, Laserschneiden und Ultrakurzpuls-Laserstanzen ausweiten und weitere Industriepartner in die oben genannten Kooperationsteams einbeziehen.
Geringere Ausschussraten mit Lasern mit grüner Wellenlänge
Der Herstellungsprozess von Elektrofahrzeugen stellt die Lasertechnologie vor eine sehr große Herausforderung. Kupfer ist das wichtigste Material zur Herstellung der Kernkomponenten von Elektrofahrzeugen, ein Nichteisenmetall, das nur etwa 5 Prozent der Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich (NIR) absorbiert und über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit verfügt. Leider können beide Eigenschaften beim Löten zu erheblichen Problemen führen. Daher erfordern diese Prozesse in der Regel eine anschließende engmaschige nukleare Kontrolle.
Neben NIR-Lasern sind auch Laser mit grüner Wellenlänge im Trumpf-Produktportfolio verfügbar. „Laser mit grünen Wellenlängen sind die Lösung für dieses Problem“, sagt Mauritz Möller, Automobilindustriemanager bei Trumpf. Tatsächlich lässt sich Kupfer mit diesen Lasern besser schweißen.“
Kupfer absorbiert grüne Wellenlängen viel besser als Infrarot. Da das Material schneller seine Schmelztemperatur erreicht, beginnt auch der Schweißprozess schneller und erfordert weniger Laserleistung. Schließlich führt ein stabilerer Schweißprozess auch zu geringeren Ausschussraten, was zu einer nachhaltigeren Fertigung beiträgt.
Experimente mit Teilchengaspedalen
Um den Schweißprozess im Detail zu untersuchen, sind Experten des Fraunhofer-Instituts für Industrietechnik in Deutschland eine Kooperation mit dem Institut für Lasertechnik der RWTH Aachen in Deutschland eingegangen und nutzen dort DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III in einem Versuchsaufbau am Helmholtz-Zentrum in Deutschland.
Marc Hummel erklärt: „Konventionelle Methoden können eigentlich nur die elektromagnetische Emission des Plasmas sehen. Mit DESYs Strahlung können wir nicht nur das Innere der Schmelze sehen, sondern sogar die Dynamik der Schmelze in Echtzeit.“
Zu diesem Zweck untersuchte das Team von Fraunhofer ILT und Trumpf den Laserschweißprozess bei DESY mit zwei verschiedenen Lasersystemen (Nahinfrarotlaser und Laser mit grüner Wellenlänge). Mauritz Mοller sagte: „Für uns ist dies eine großartige Gelegenheit, das zu untersuchen.“ Schweißprozess von Industrieteilen. Zum Beispiel, wie Spritzer und Porosität entstehen und wie sich die Hitze des Schweißprozesses auf empfindliche Teile wie elektronische Komponenten auswirkt.“