Flexible Lasertechnik sichert mobile Zukunft

04.11.2019 - 01:00

Im produktionstechnischen Wandel hin zur E-Mobilität nehmen flexible Lasersysteme Schlüsselfunktionen ein – KI verbessert Laserprozesse

Mobilität ist im Wandel. Und im Fokus steht der elektrische Antrieb. Eines ist klar: Elektro-Mobilität wird in Zukunft eine große Rolle spielen. Sie geht weit über das Automobil hinaus. Ob Traktor, Bus, Schiff, Zug, Motorrad, Roller, Fahrrad oder sogar Flugzeug, die Welle der Elektrifizierung ist angerollt und breitet sich sukzessive aus. „Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor wird es wohl noch eine ganze Weile geben. Doch sollen im Jahr 2030 bei 120 Millionen global neu zugelassenen Fahrzeugen, die elektrifizierten etwa ein Fünftel ausmachen. Und der Lasertechnik kommt bei der Fertigung entscheidender Fahrzeugkomponenten eine Schlüsselfunktion zu“, sagt Gerhard Hein, Geschäftsführer der Arbeitsgemeinschaft Laser und Lasersysteme für die Materialbearbeitung im VDMA.

LASYS 2020: The place to be(am)

Mit dem Einzug der E-Mobilität stehen also große Umwälzungen in der Produktion an. Eine internationale Fachmesse, wie die LASYS 2020, kommt hier gerade recht. Denn sie begleitet den produktionstechnischen Wandel und stellt eine nützliche Plattform zur Verfügung, die explizit auf Laser-Materialbearbeitung in ihrer Vielfalt zugeschnitten ist. Die LASYS findet 2020 zum siebten Mal statt. Sie wird zum place to be(am), ein wichtiger branchenübergreifender Treffpunkt, an dem Lasersystem- und Laser-Anlagenhersteller, Integratoren, Dienstleister und Laser-Anwender zusammenkommen. E-Mobilität ist jedoch nur eines von vielen Trendthemen, die auf der LASYS vom 16. bis 18. Juni 2020 in den Stuttgarter Messehallen ins Rampenlicht gerückt werden.

Neue Herausforderungen für Lasersysteme

„Die E-Mobilität befindet sich zwar noch in der Startphase“, so Johannes Bührle, im Branchenmanagement Automotive bei Trumpf, „das produktionstechnische ‚Rennen‘ hat jedoch längst begonnen. Aus Fertigungssicht ist das ein Spagat zwischen Manufaktur und Massenproduktion.“ Bührle zufolge befinden sich viele Produktdesigns derzeit noch in der Entwicklungs- und Optimierungsphase: „Fertigungs- und Produktionsmittel wie etwa Lasersysteme müssen daher flexibel genug ausgelegt sein, um auf radikale Designänderungen und die Verwendung immer neuer und unterschiedlicher Materialien reagieren zu können.“


Die Aufgaben, die Lasersysteme bei der Herstellung von E-Fahrzeugen übernehmen, sind vielfältig. Einerseits geht es um Leichtbauweise und verbesserte Karosseriestrukturen durch „lastgerechte Bauteilgestaltung“. Hierbei spielen wirtschaftliche Laserbearbeitungsprozesse etwa von Stahl, Aluminium, Faserverbundwerkstoffen sowie additive Laserverfahren eine bedeutende Rolle. Andererseits sind für die Batterieproduktion, die Baugruppen der Leistungselektronik und den Elektro-Antrieb selbst neuartige innovative Laseranlagen notwendig, die vor allem Buntmetalle wie Kupfer und Aluminium effizient und prozesssicher bearbeiten – etwa fügen oder schneiden.

Gewichtsoptimierung mit Hilfe vielfältiger Laserverfahren

Leichtbauweise bedeutet, das Gewicht eines Fahrzeugs bei hoher Stabilität zu optimieren. Große Erwartungen setzen Experten hier in additive Laserverfahren. „Additiv hergestellte Antriebswellen im Automobilbereich lassen Gewichtsreduzierungen um mehr als zwei Drittel zu. Ähnliches gilt für Batteriekästen, die in Gitternetzstrukturen ausgelegt werden oder auch hochleistungsfähige Wärmetauscher, deren neue Designstrukturen sich in deutlich erhöhter Kompaktheit und hervorragender funktionaler Effektivität niederschlagen“, erklärt Hein.

Was die lastgerechte und flexible Bauteilgestaltung von Fahrzeugen anbelangt, verfolgt beispielweise das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS den Ansatz, crash-relevante Karosseriestrukturen individuell zu verbessern. „Dafür blicken wir auf Bauteile wie Stoßstange, den Batterierahmen, das Chassis und die generellen Strukturen des Fahrzeugs. Wir verstärken Teile an genau den Stellen, an denen es notwendig ist. Dazu nutzen wir die lokale Laserbehandlung von Blechstrukturen und Techniken des lokalen Additive Manufacturings, um etwa Rippen zur Stärkung auf Profilen aufzubringen. Individuelles Festigkeitsdesign erreichen wir auch durch lokales Laserhärten von Kohlenstoffstählen an ausgewählten Stellen“, erklärt Dr. Jens Standfuß, Geschäftsfeldleiter Fügen am IWS. Einen zweiten zentralen Ansatz des Dresdner Instituts bildet die thermische Direktverbindung von Metall mit faserverstärktem Thermoplast. Deren kurzzeitige Erwärmung mittels Laser und Induktion erzeugt eine Kombination aus Klebeverbindung und mechanischer Verzahnung. „Der Schlüssel liegt dabei in der Laserstrukturierung der verwendeten Metalloberflächen. Die Oberfläche wird gereinigt, sie erweitert sich und wird chemisch modifiziert, sodass formschlüssige Strukturen entstehen. Im Vergleich zu herkömmlichen Klebeverbindungen wird kein zusätzliches Material benötigt und es handelt sich um einen schnellen Laser-Fügeprozess“, sagt Standfuß.

Buntmetalle hocheffizient mit dem Laser schweißen

Für Batteriezelle, -modul, -pack, Leistungselektronik und E-Motor sind gut elektrisch leitende Werkstoffe wie Kupfer unerlässlich. Dessen Bearbeitung war für Lasersysteme bisher eine Herausforderung. „Als weltweit erstes Unternehmen haben wir einen ‚blauen‘ Diodenlaser mit 450 nm Wellenlänge und über 1 kW Leistung entwickelt, der die Lichtabsorption bei Kupfer auf über 60 Prozent erhöht. Denn herkömmliche Infrarot-Lasersysteme schaffen wegen der starken Lichtreflektion nur zwei bis fünf Prozent“, so Dr. Simon Britten, Innovation Manager, New Business Development bei Laserline. Britten weiter: „Damit kann der Energieeintrag in Kupfer jetzt so gut gesteuert werden, dass erstmals sogenannte Wärmeleitungsschweißprozesse ohne Verdampfen und Dampfkapillare möglich sind. Dies ergibt praktisch spritzerfreie Prozesse. Mehr noch: Durch das definierte Umschmelzen des Kupfers sind neue Gestaltungsmöglichkeiten von Laser-Schweißprozessen möglich.“ Lasersysteme von Trumpf arbeiten hier im grünen Spektralbereich mit 515 nm Wellenlänge. „Sie basieren auf der Scheibenlasertechnologie und erlauben mit 1kW Ausgangsleistung und einer Strahlqualität von 2 mm x mrad eine bisher noch nie dagewesene Schweißnahtqualität und Energieeffizienz – selbst bei hochreflektierenden Werkstoffen wie Kupfer“, erklärt Trumpf-Experte Bührle.

Hairpin-Verfahren: optimales Zusammenspiel vieler Komponenten

Einsatz finden obig erwähnte neuartige Lasersysteme zum Beispiel beim sogenannten Hairpin-Verfahren, also beim Laserschweißen des Stators. Nur mit diesem Verfahren ist laut Trumpf eine automatisierte Produktion großer Stückzahlen von Statoren des Elektromotors wirtschaftlich möglich. Beim Hairpin-Verfahren schießt eine Druckluftpistole einen rechteckigen Kupferdraht, ähnlich einer Haarnadel, in die Nut des Stators hinein. „Die Hairpins werden mit dem Laser entlackt, anschließend ineinander verdreht und mittels Laserstrahl verschweißt. Klingt ziemlich simpel, erfordert aber ein reibungsloses Zusammenspiel aus Lasersystem, Optik, digitaler Bildverarbeitung und Prozesssteuerung“, erklärt Bührle. Dem kann Rainer Franke, Leiter Geschäftsbereich Laseroptik, Laser Components, nur zustimmen: „Auch Laseroptiken leisten einen wichtigen Beitrag zur Präzision von Laserschweißverfahren und anderen Fertigungsprozessen für die Elektromobilität. Wir stimmen die Optiken genau auf den Verwendungszweck ab. Für spezielle Anforderungen lassen sich mit diffraktiven optischen Elementen verschiedenste Strahlformen realisieren. Wegen der hohen Energien der Industrielaser ist eine hohe Laserzerstörschwelle aller Optiken dabei ein entscheidender Faktor.“

Automatisierte Laseranlagen arbeiten nachhaltig und energieeffizient

„Um den wachsenden Bedarf der Automobilindustrie an einbaufähigen elektrischen Baugruppen zu decken, sind unbedingt schlüsselfertige automatisierte Produktionsanlagen erforderlich, welche Montage-, Laser- und Prüfprozesse sowie Traceability-Systeme zur Rückverfolgbarkeit aller Produkt- und Maschinendaten integrieren“, sagt Dr. Jörg Lässig, Geschäftsführer bei SITEC Industrietechnologie. Das Chemnitzer Unternehmen antwortet darauf mit neuartigen automatisierten Laseranlagen etwa für Schweißprozesse an Baugruppen der Leistungselektronik, an Statoren oder Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Lässig betont: „Bei unseren Laseranlagen haben wir sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch eine umweltfreundliche, nachhaltige‚ grüne Produktion im Fokus. Einen verbesserten energieeffizienten Betrieb erreichen wir beispielsweise durch die Integration anwendungsangepasster Laserstrahlquellen mit hohem Gesamtwirkungsgrad sowie einer bestmöglichen Laserauslastung durch prozessoptimierte Anlagenkonzepte.“

Eine nachhaltige E-Mobilität in Europa zu etablieren, das sieht auch Dr. Simon Britten von Laserline als Herausforderung. „Mit dem ‚blauen‘ Laserlicht tragen wir dazu bei, denn es sind ressourceneffiziente Produktionsprozesse möglich. Erstmals kann diese Laserstrahlung direkt, ohne Wellenlängenumwandlung, erzeugt werden. Zusammen mit der hohen Absorption bei Kupfer lässt sich so die Gesamteffizienz der Prozesse in Zukunft wesentlich steigern. Außerdem wollen wir neue Anwendungen auch außerhalb der Kupferbearbeitung erschließen, denn die Wechselwirkung vieler Materialien mit dieser Wellenlänge ist teilweise noch unbekannt.“

KI sowie additive Laserverfahren sind zukunftsweisend

Individualisierung, verbesserte Kostenstrukturen, Energieeffizienz, optimierter Materialeinsatz, Prozesssicherheit und Qualität sind auf jeden Fall weiterhin Herausforderungen bei der Produktion von Elektrofahrzeugen, auch in der Zukunft. Gerhard Hein vom VDMA erläutert: „Wenn es um kleinere Losgrößen und echten Individualisierungsbedarf geht, stößt die Rentabilität werkzeugbasierter Technologien klar an Grenzen. Für die individualisierte Serienproduktion hochwertiger, gewichtsoptimierter Fahrzeugkomponenten bieten sich additive laserbasierte Fertigungsverfahren wie Laser Metal Deposition oder Laser Metal Fusion als Lösung an. Einen weiteren wichtigen Lösungsansatz sehen Experten von Trumpf in der künstlichen Intelligenz (KI). Bührle prognostiziert: „KI dürfte unsere Produktions- und Qualitätssicherungsprozesse in Zukunft enorm verbessern, wenn sie etwa beim Hairpin-Verfahren Elektromotoren detektiert, die vorab definierte Schweißkriterien nicht erfüllen. Wir arbeiten derzeit an einer KI, die genau das selbstständig durchführt.“

Obige Beispiele zeigen, dass sich die Branche den Herausforderungen der Gegenwart sowie der Zukunft stellen und smarte, hochproduktive und vor allem auch flexible Laser-Fertigungslösungen bereithalten. Die LASYS zeigt die Vielfalt des Lasers in der Materialbearbeitung – über den Automobilbau hinaus. Zu den Zielbranchen zählen: der Maschinen- und Anlagen- sowie Apparatebau, die Elektronikindustrie, die optische Industrie, die metallbe- und -verarbeitende Industrie, Medizintechnik, die Kunststoffindustrie, der Werkzeug- und Formenbau sowie viele mehr.

Über die LASYS

Die LASYS findet vom 16. bis 18. Juni 2020 auf dem Stuttgarter Messegelände statt und fokussiert sich als einzige internationale Fachmesse konsequent auf Systemlösungen für die Laser-Materialbearbeitung. Seit dem Messestart im Jahr 2008 hat sie sich erfolgreich als Anwenderplattform für Laser-Systemlösungen und -Applikationen etabliert. Branchen- und materialübergreifend spricht die LASYS insbesondere Entscheidungsträger aus der internationalen Industrie an.

Ergänzt wird das Informationsangebot für die Besucher der LASYS durch weitere, parallel stattfindende Branchenmessen: die Global Automotive Components and Suppliers Expo, die Engine Expo, die Automotive Interiors Expo, die Automotive Testing Expo, die Surface Technology Germany und die CastForge – Fachmesse für Guss- und Schmiedeteile und deren Bearbeitung.

Weitere Informationen unter www.lasys-messe.de

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Die Textdatei, Messefotos der LASYS und Messelogos können Sie im Internet herunterladen unter: www.lasys-messe.de/presse

Info-Kasten
Wie die E-Fahrzeugproduktion von der Lasertechnik profitiert

•    Gewichts- sowie materialoptimierte, lastgerechte Bauteilgestaltung
•    thermische Direktverbindung von Metall mit faserverstärktem Thermoplast
•    Mittels Lasertechnik sind ressourceneffiziente Produktionsprozesse möglich
•    Flotte Fügeprozesse mit hoher Schweißnahtqualität auch bei Buntmetallen
•    Additive Laserverfahren machen individualisierte Serienproduktion rentabel
•    Lasersysteme können flexibel auf Design- und Materialeinsatzänderungen reagieren
•    KI-basierte Ansätze können Produktions- und Qualitätssicherungsprozesse verbessern

Bildunterschriften

LASYS-20-PM03-IWS-Mobilitaet: Was die ‚lastgerechte und flexible Bauteilgestaltung‘ von E-Fahrzeugen anbelangt, verfolgt beispielweise das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) den Ansatz, crash-relevante Karosseriestrukturen individuell zu verbessern. Hier die lokale Laserbehandlung einer hochbeanspruchten Zone eines crashrelevanten Karosseriestrukturbauteils im Test
Bildnachweis: Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

LASYS-20-PM03-Lasercomp: Diffraktive optische Elemente von Laser Components formen den optimalen Strahl für industrielle Anwendungen etwa beim Bearbeiten von Komponenten der E-Mobilität
Bildnachweis: Laser Components GmbH

LASYS-20-PM03-Laserline: Mit Lasersystemen von Laserline, die ‚blaues Laserlicht, nutzen, kann der Energieeintrag in Kupfer so gut gesteuert werden, dass erstmals Wärmeleitungsschweißprozesse ohne Verdampfen und Dampfkapillare möglich sind. Dies ergibt spritzerfreie Prozesse.
Bildnachweis: Laserline GmbH

LASYS-20-PM03-Sitec-Bild1: Die schlüsselfertigen automatisierten Produktionsanlagen von SITEC Industrietechnologie richten den Fokus auf Wirtschaftlich- und Nachhaltigkeit bei der Produktion von Komponenten für die E-Mobilität. Neuartige automatisierte Laseranlagen schweißen in hoher Qualität die Kupfer-Hairpins am Stator des Elektromotors.
Bildnachweis: SITEC Industrietechnologie GmbH

LASYS-20-PM03-Sitec-Bild2: SITEC Industrietechnologie antwortet auf die Herausforderungen der Mobilität mit neuartigen automatisierten Laseranlagen etwa für Schweißprozesse an Baugruppen der Leistungselektronik, an Statoren oder wie hier an Bipolarplatten für Brennstoffzellen.
Bildnachweis: SITEC Industrietechnologie GmbH

LASYS-20-PM03-Trumpf: Laseranlagen von Trumpf entlacken Hairpins mit dem Laser, die anschließend ineinander verdreht und mittels Laserstrahl verschweißt werden. Mit dem Hairpin-Verfahren ist laut Trumpf eine automatisierte Produktion großer Stückzahlen von Statoren des Elektromotors wirtschaftlich möglich.
Bildnachweis: Trumpf GmbH & Co. KG

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