Una tecnologia laser flessibile a garanzia della mobilità del futuro

06.11.2019 - 01:00

Nel mutamento delle tecnologie di produzione in vista della mobilità elettrica, i sistemi laser flessibili svolgono funzioni chiave - L’AI migliora i processi laser

La mobilità sta cambiando. e questo mutamento è incentrato sulla propulsione elettrica. Una cosa è certa: la mobilità elettrica in futuro avrà un ruolo importante, anche molto al di là della semplice automobile. Trattori, autobus, navi, treni, moto, scooter, biciclette, o addirittura aerei... L’onda dell’elettrificazione si è alzata e si sta gradualmente propagando. “Sicuramente i veicoli con motore a combustione continueranno a circolare ancora per un bel po’. Nel 2030, però, su 120 milioni di nuovi veicoli omologati nel mondo, quelli elettrici saranno circa un quinto. E la tecnologia laser ha una funzione chiave nella produzione di componenti fondamentali per questi veicoli”, afferma Gerhard Hein, amministratore del gruppo di lavoro Laser e Sistemi laser per la lavorazione dei materiali del VDMA.

LASYS 2020: The place to be(am)

Con l'avvento della mobilità elettrica si prospettano grandi rivoluzioni nella produzione. Una fiera settoriale internazionale come LASYS 2020 arriva proprio al momento giusto. Questo evento, infatti, accompagna i cambiamenti delle tecnologie produttive e mette a disposizione una piattaforma utile, concepita espressamente per la lavorazione laser dei materiali nella loro varietà. Nel 2020 LASYS giunge alla sua settima edizione. Sarà il “place to be(am)”, un punto d’incontro importante per gli operatori di svariati settori, in cui si riuniranno produttori di sistemi e impianti laser, integratori di sistemi, fornitori di servizi e utenti di applicazioni laser. La mobilità elettrica, però, è solo una delle tante tematiche di tendenza che saranno sotto i riflettori a LASYS dal 16 al 18 giugno 2020 nei padiglioni della Fiera di Stoccarda.

Nuove sfide per i sistemi laser

“La mobilità elettrica è ancora nella sua fase iniziale”, afferma Johannes Bührle, Industry Manager Automotive in Trumpf, “ma la “corsa alle tecnologie di produzione
è partita già da tempo. Dal punto di vista della produzione c’è un gap tra manifattura e produzione di massa.” Secondo Bührle, il design di molti prodotti attualmente è ancora in fase di sviluppo e ottimizzazione:
“Di conseguenza gli strumenti di lavoro e le infrastrutture produttive, come ad esempio i sistemi laser, devono essere progettati con una sufficiente flessibilità, affinché siano in grado di reagire ai cambiamenti anche radicali del design e all’impiego di materiali sempre nuovi e diversi.”

Le funzioni dei sistemi laser nella produzione dei veicoli elettrici sono molteplici. Si utilizzano per ottenere costruzioni leggere e carrozzerie dalle strutture migliorate mediante una “progettazione dei componenti idonea ai carichi”. A tale riguardo hanno un ruolo significativo i processi di lavorazione al laser economici, come quelli dell’acciaio, dell'alluminio, dei materiali compositi basati su fibre e i processi additivi.
D’altro canto, per la produzione delle batterie, dei componenti dell'elettronica di potenza e dei propulsori elettrici, servono impianti laser innovativi, che siano in grado di lavorare soprattutto metalli non ferrosi come rame e alluminio con processi efficienti e sicuri.

Ottimizzazione del peso con l'ausilio di svariati processi laser

“Costruzione leggera” significa ottimizzare il peso di un veicolo a fronte di una stabilità elevata. In questo campo, gli esperti ripongono forti aspettative nei processi laser additivi.
“Nel settore automotive, gli alberi di trasmissione prodotti con il metodo additivo consentono di ridurre il peso di oltre due terzi. Lo stesso vale per le scatole delle batterie, che vengono progettate con strutture reticolate, o per gli scambiatori di calore ad elevate prestazioni, in cui il design delle nuove strutture si traduce in un notevole aumento della compattezza e in un’eccellente efficacia funzionale”, spiega Hein.

Per quanto concerne una progettazione dei veicoli flessibile e idonea ai carichi, il Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS persegue ad esempio l’approccio di un miglioramento individuale delle strutture della carrozzeria interessate da un eventuale impatto. “Per questo ci rivolgiamo a componenti come paraurti, intelaiatura della batteria e chassis e alle strutture generali del veicolo. Rinforziamo i componenti esattamente nei punti in cui è necessario. Per farlo utilizziamo il trattamento laser locale delle strutture in lamiera e tecnologie di Additive Manufacturing locale, come ad esempio l’applicazione di nervature di rinforzo sui profili.  Per individualizzare la resistenza del design, utilizziamo anche la tempra laser locale di acciai al carbonio in punti selezionati”, spiega il Dott. Jens Standfuß, direttore della business unit Joining dell’IWS. Un secondo approccio fondamentale dell’istituto di Dresda è costituito dall’accoppiamento termico diretto di metallo e materiale termoplastico rinforzato con fibre. Il suo rapido riscaldamento mediante laser e induzione genera una combinazione di giunzione incollata e dentatura meccanica. “La chiave è nella strutturazione laser delle superfici metalliche utilizzate. La superficie viene pulita, si espande e viene modificata mediante processi chimici in modo tale da ottenere strutture ad accoppiamento geometrico. Rispetto alle giunzioni incollate tradizionali non occorre materiale supplementari e si tratta di un processo rapido
di giunzione laser”, afferma Standfuß.

Metalli non ferrosi ultra efficienti con la saldatura laser

Per le celle, i moduli e i pacchi batteria, l'elettronica di potenza e il motore elettrico sono indispensabili materiali dalla buona conduttività elettrica, come il rame.
 Per i sistemi laser, in passato, la loro lavorazione rappresentava una sfida complessa. “Siamo la prima azienda al mondo ad aver sviluppato un laser a diodo “blu” con una lunghezza d’onda di 450 nm e una potenza superiore a 1 kW, che aumenta di oltre il 60 per cento l’assorbimento della luce nel rame. I tradizionali sistemi laser a raggi infrarossi, infatti, a causa della forte riflessione della luce arrivano solo al due-cinque per cento”, spiega il Dott. Simon Britten, Innovation Manager, New Business Development di Laserline. Britter continua: “In questo modo, ora è possibile controllare l'apporto di energia nel rame talmente bene che per la prima volta i cosiddetti processi di saldatura a conduzione termica sono possibili senza evaporazione e capillari di vapore. Il risultato sono processi praticamente esenti da spruzzi. Ma c’è di più: la rifusione definita del rame consente nuove possibilità di configurazione dei processi di saldatura laser.” I sistemi laser di Trumpf in questo caso lavorano nell’intervallo spettrale del verde con una lunghezza d’onda di 515 nm. “Si basano sulla tecnologia laser a disco e, con una potenza d’uscita di 1 kW e una qualità del raggio di 2 mm x mrad, permettono una qualità delle saldature e un'efficienza energetica senza precedenti, anche con materiali altamente riflettenti come il rame", spiega l'esperto di Trumpf Bührle.

Metodo degli hairpin: interazione ottimale di tanti componenti

I sistemi laser innovativi menzionati in precedenza sono utilizzati, ad esempio, nel cosiddetto metodo degli hairpin per la saldatura laser dello statore. Secondo Trumpf, solo con questo metodo è possibile una produzione economicamente vantaggiosa e automatizzata di grandi quantità di statori del motore elettrico.  Con il metodo degli hairpin, una pistola ad aria compressa “spara” un filo di rame rettangolare, simile a una forcina per capelli (hairpin) nella scanalatura dello statore. “Gli hairpin vengono sottoposti a sverniciatura con il laser, quindi attorcigliati e saldati mediante raggio laser. A parole sembra abbastanza semplice, ma richiede una perfetta interazione di sistema laser, ottica, elaborazione digitale delle immagini e controllo del processo”, spiega Bührle. Rainer Franke, direttore della business unit Laser Optics di Laser Components, non può che essere d’accordo: “Anche le ottiche laser forniscono un importante contributo alla precisione dei
processi di saldatura laser e di altri processi di produzione per la mobilità elettrica. Noi adattiamo le ottiche esattamente in base allo scopo d’uso. Per esigenze speciali è possibile realizzare raggi dalle forme più svariate con elementi ottici diffrattivi. A causa delle forti energie dei laser industriali, una soglia di danneggiamento (LDT) elevata in tutte le ottiche è un fattore determinante.

Impianti laser automatizzati: sostenibili e ad alta efficienza energetica

“Per coprire il crescente fabbisogno di gruppi elettrici installabili del settore automotive, sono assolutamente necessari impianti di produzione automatizzati “chiavi in mano” che integrino processi di montaggio, trattamento al laser e controllo e sistemi per la tracciabilità di tutti i dati dei prodotti e delle macchine”, afferma il Dott. Jörg Lässig, amministratore di SITEC Industrietechnologie. L’azienda di Chemnitz risponde con innovativi impianti laser automatizzati, ad esempio per i processi di saldatura di gruppi dell'elettronica di potenza, statori o piastre bipolari di celle a combustibile. Lässig sottolinea: “Nei nostri impianti laser ci siamo focalizzati sia sull’efficienza economica, sia su una produzione “verde” ecologica e sostenibile. Ad esempio, otteniamo un miglioramento dell'efficienza energetica integrando fonti di raggi laser adeguate all'applicazione con un rendimento totale elevato e massimizziamo o sfruttamento del laser con concetti di impianti dai processi ottimizzati.”

Anche il Dott. Simon Britten di Laserline ritiene che l’affermazione di una mobilità elettrica sostenibile in Europa sia una sfida complessa. “Noi contribuiamo con la luce laser “blu”, che permette processi di produzione efficienti in termini di risorse. Per la prima volta questo raggio laser può essere generato direttamente, senza conversione della lunghezza d’onda. Insieme all'assorbimento elevato del rame, in questo modo in futuro si potrà incrementare in misura sostanziale l’efficienza complessiva dei processi. Inoltre vogliamo estendere l’uso a nuove applicazioni anche al di fuori della lavorazione del rame, poiché l’interazione di molti materiali con questa lunghezza d’onda in parte è ancora sconosciuta.

AI e processi laser additivi

Individualizzazione, strutture dei costi migliorate, efficienza energetica, impiego ottimizzato dei materiali, sicurezza dei processi e qualità sono in ogni caso elementi di complessità nella produzione dei veicoli elettrici e lo saranno anche in futuro. Gerhard Hein di VDMA spiega: “Quando si tratta di piccoli lotti e di una reale necessità di personalizzazione, la redditività delle tecnologie basate sugli utensili si scontra chiaramente con determinati limiti. Per la produzione in serie individualizzata di componentistica per veicoli di alta qualità e dal peso ottimizzato, una soluzione è rappresentata dai processi di produzione additivi basati sul laser come la Laser Metal Deposition o la Laser Metal Fusion. Secondo gli esperti di Trumpf, un altro importante approccio risolutivo è costituito dall’intelligenza artificiale (AI). Bührle prevede quanto segue: “In futuro l’AI potrebbe portare enormi miglioramenti nei nostri processi di produzione e assicurazione qualità, ad esempio nel processo degli hairpin rilevando i motori elettrici che non soddisfano criteri di saldatura precedentemente definiti. Attualmente stiamo lavorando a un’AI che fa esattamente questo in autonomia.”

Gli esempi che precedono indicano che il settore è pronto per affrontare le sfide presenti e future con soluzioni di produzione al laser intelligenti, altamente produttive e soprattutto flessibili. LASYS mostra la versatilità del laser nella lavorazione dei materiali, anche al di là della costruzione di automobili. Tra i settori target ci sono la costruzione di macchine, impianti e apparecchiature, l’industria elettronica, l’industria ottica, il settore della lavorazione e del trattamento dei metalli, le tecnologie medicali, l’industria delle materie plastiche, la costruzione di utensili e stampi e molti altri.

Informazioni su LASYS

LASYS si tiene dal 16 al 18 giugno 2020 nell'aria fieristica di Stoccarda ed è l’unica fiera specialistica internazionale a focalizzarsi con coerenza su sistemi e soluzioni per la lavorazione laser dei materiali. Dopo il suo esordio nel 2008, si è affermata con successo in quanto piattaforma per gli utenti di sistemi, soluzioni e applicazioni
basati sul laser. Al di là dei singoli settori e materiali, LASYS si rivolge in particolare alle entità decisionali dell’industria internazionale.

L’offerta informativa per i visitatori di LASYS è integrata da altre fiere settoriali che si svolgono in parallelo: la Global Automotive Components and Suppliers Expo, l’Engine Expo, l’Automotive Interiors Expo, l’Automotive Testing Expo, la Surface Technology Germany e la CastForge – fiera specialistica per i getti e i particolari fucinati e la relativa lavorazione.

Ulteriori informazioni su www.lasys-messe.de

Follow us: www.twitter.com/Lasys_TradeFair

Il file di testo, foto e loghi della fiera LASYS sono scaricabili su Internet all’indirizzo: www.lasys-messe.de/presse
 
Riquadro informativo
Vantaggi della tecnologia laser per la produzione di veicoli elettrici

  • Progettazione di componenti idonei ai carichi, con pesi e materiali ottimizzati
  • Accoppiamento termico diretto di metallo e materiale termoplastico rinforzato con fibre
  • La tecnologia laser consente processi di produzione efficienti in termini di risorse
  • Processi di giunzione rapidi con un’alta qualità delle saldature anche nei metalli non ferrosi
  • I processi laser additivi rendono redditizia una produzione in serie individualizzata
  • I sistemi laser possono reagire con flessibilità ai cambiamenti del design e dei materiali utilizzati
  • Gli approcci basati sull’AI possono migliorare i processi di produzione e assicurazione qualità


Proposte per didascalie

LASYS-20-PM03-IWS-Mobilitaet: Per quanto concerne una progettazione dei veicoli elettrici flessibile e idonea ai carichi, il Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (IWS) persegue ad esempio l’approccio di un miglioramento individuale delle strutture della carrozzeria interessate da un eventuale impatto. Qui il trattamento al laser locale di una zona altamente sollecitata di un componente strutturale della carrozzeria interessato da un eventuale impatto.
Crediti fotografici: Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology

LASYS-20-PM03-Lasercomp: Gli elementi ottici diffrattivi di Laser Components formano il raggio ottimale per le applicazioni industriali, ad esempio per la lavorazione di componenti destinati alla mobilità elettrica
Crediti fotografici: Laser Components GmbH

LASYS-20-PM03-Laserline: Con i sistemi di Laserline che sfruttano la luce laser blu è possibile controllare l'apporto di energia nel rame talmente bene da ottenere per la prima volta processi di saldatura a conduzione termica senza evaporazione e capillari di vapore. Il risultato sono processi senza spruzzi.
Crediti fotografici: Laserline GmbH

LASYS-20-PM03-Sitec-Bild1: Gli impianti di produzione automatizzati “chiavi in mano” di SITEC Industrietechnologie sono focalizzati sulla redditività e la sostenibilità nella produzione di componenti per la mobilità elettrica. Innovativi impianti laser automatizzati saldano con una qualità elevata gli hairpin di rame nello statore del motore elettrico.
Crediti fotografici: SITEC Industrietechnologie GmbH

LASYS-20-PM03-Sitec-Bild2: SITEC Industrietechnologie risponde alle sfide della mobilità con innovativi impianti laser automatizzati, ad esempio per i processi di saldatura di gruppi dell'elettronica di potenza, statori o, come in questo caso, piastre bipolari per celle a combustibile.
Crediti fotografici: SITEC Industrietechnologie GmbH

LASYS-20-PM03-Trumpf: Gli impianti laser di Trumpf sverniciano gli hairpin, che in seguito saranno attorcigliati e saldati mediante raggio laser. Secondo Trumpf, solo con il metodo degli hairpin è possibile una produzione economicamente vantaggiosa e automatizzata di grandi quantità di statori del motore elettrico.
Crediti fotografici: Trumpf GmbH & Co. KG

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