Die Laserschweißforschung zielt auf Lösungen für die Herstellung von Elektrofahrzeugen ab

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Anmerkung des Herausgebers: Diese Funktion erschien ursprünglich in der Juni-Ausgabe 2022 von Canadian Fabricating & Welding.

Das Laserschweißen hat in den letzten Jahren in der Fertigungsindustrie Einzug gehalten. Von Schweißzellen bis hin zu Handmodellen steigert das Laserschweißen die Effizienz für OEMs und Lohnfertiger. Die Technologie, die hochwertige Schweißnähte, schnelle Produktionsgeschwindigkeiten und eine reduzierte Nachbearbeitung nach dem Schweißen bietet, stößt bei Herstellern auf zunehmendes Interesse.

Die Lasertechnologie wird unterdessen immer ausgefeilter. Ein Unternehmen, das angeblich an der Spitze dieser Entwicklung steht, ist das in Israel ansässige Unternehmen Civan Lasers. Das Unternehmen erhielt den Prism Award 2022 in der Kategorie Industrielaser von SPIE, der internationalen Gesellschaft für Optik und Photonik, und Photonics Media. Mit der Auszeichnung wird der OPA 6 Weld von Civan gewürdigt, ein 7- bis 14-kW-Single-Mode-Dauerstrichlaser mit dynamischer Strahllasertechnologie (DBL), der die Strahlform nach Wunsch mit Geschwindigkeiten von bis zu Hunderten von Megahertz ohne bewegliche Teile moduliert.

Der Laser nutzt die kohärente optische Strahlbündelung mit Phased-Array, um viele Single-Mode-Laserstrahlen zu einem größeren Strahl zusammenzuführen. Das Licht jedes Lasers überlappt sich mit anderen Strahlen im Fernfeld und erzeugt so ein Beugungsmuster, das eine Manipulation der Strahlform in Echtzeit ermöglicht. Phasenmodulatoren steuern die einzelnen Strahlen, und das resultierende Interferenzmuster kann angepasst werden, um die Position des Strahlflecks zu maximieren und verschiedene Formmuster zu erzeugen, die durch die Bewegung des Strahls eingeschrieben sind.

„Andere Methoden der Strahlformung befassen sich hauptsächlich mit dem Wackeln des Strahls“, sagte Dr. Asaf Nissenbaum, Forscher im Anwendungslabor bei Civan. „Das heißt, Sie können Ihren Strahl leicht schwanken lassen, um eine lokale Lenkung zu bewirken, und dies wird durch mechanische Mittel unterstützt. Der Nachteil dieser Technologie besteht darin, dass Sie Galvo-Scanner verwenden, die eine begrenzte maximale Betriebsfrequenz und maximale Strahlleistung haben, die Sie durch sie hindurchlassen können. Darüber hinaus ist auch das Wackelbewegungsprofil begrenzt, wohingegen der OPA 6-Laser bei viel höheren Frequenzen und Formprofilen arbeiten kann.“

Formfrequenz, Formsequenz und Fokustiefe können ebenfalls gesteuert werden, um eine Optimierung der Verdunstung in der Kapillare, des Flusses im Schmelzbad und der Erstarrung der Schmelze für jede Lasermaterialbearbeitungsanwendung zu ermöglichen. Eine solche Kontrolle eliminiert die Bildung von Poren, Spritzern und Rissen und erhöht gleichzeitig die Vorschubraten und -geschwindigkeiten bei Schweiß- und additiven Fertigungsanwendungen, berichtet das Unternehmen.

Die Geschwindigkeit, mit der der Laser betrieben werden kann, und die Möglichkeit, den Strahl im Handumdrehen zu ändern, wecken Interesse an der Forschung im Zusammenhang mit der Herstellung von Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge (EV). Jüngsten Erkenntnissen des Eureka-Projekts mit Sitz in den Fraunhofer-Laboren in Aachen zufolge könnten die Laser des Unternehmens der Automobilindustrie durch eine erhöhte Vorschubgeschwindigkeit beim Bipolarplattenschweißen eine technologische Lösung für die wirtschaftliche Massenproduktion von Motoren mit sauberer Energie bieten.

Die Herausforderung bei der effizienten Herstellung von Brennstoffzellen liegt im Schweißen der Bipolarplatten – dünnen Platten mit Hunderten von Mikrometern. Jede Zelle enthält 300 bis 400 Platten mit einer Schweißnaht von 3 bis 6 m. Während es viele Bemühungen gibt, die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen, um mit der Nachfrage Schritt zu halten, führt eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit auf mehr als 0,5 m/s zu Schweißfehlern, was zu fehlerhaften Teilen und einem Materialrückstand führt.

Die drei Organisationen, die das Eureka-Projekt vorantreiben – Civan Lasers, das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Deutschland und Smart Move GmbH in Deutschland – wollen dieses Schweißproblem mithilfe der Lasertechnologie von Civan lösen.

„Ab einer bestimmten Geschwindigkeit beim Laserschweißen ist ein häufiger Fehler, der als ‚Buckel‘ bekannt ist, eine periodisch auftretende Erhebung in der Schweißnaht“, sagte Nissenbaum. „Dies wirft Probleme hinsichtlich Porosität, Konsistenz und mangelnder Fusion auf. Es ist ein Go/No-Go-Problem in der Brennstoffzellenindustrie. Mit diesem Laser können wir beispielsweise eine Abfolge mehrerer Formen erzeugen, von denen jede auf ein anderes Problem in der Schweißnaht im Mikrosekundenbereich ausgerichtet ist, sodass wir den gesamten Prozess gezielt steuern können.“

Während die vorhandene Technologie in der Lage ist, schneller zu arbeiten, erfordern Bipolarplatten tiefe und schmale Nähte auf 0,1-mm-Platten. Steigt die Vorschubgeschwindigkeit auf über 0,5 m/s, führt der entstehende Schmelzestrom zum bekannten Buckeleffekt. Fraunhofer ILT

Das Ziel der Forschung besteht darin, den Schweißdurchsatz auf mindestens 1 m/s oder sogar 2 m/s zu erhöhen und gleichzeitig eine gleichmäßige Schweißnaht ohne Buckelprobleme zu erzeugen.

„Nachdem wir die Technologie an anderen Materialien getestet haben, haben wir sehr vielversprechende Ergebnisse gesehen“, sagte Nissenbaum. „Wir verstehen, wie wir das Schweißbad beeinflussen können und wie wir Qualitätsergebnisse erzielen können. Es geht einfach darum, die Forschung weiter voranzutreiben.“

Nissenbaum sagt, dass das Unternehmen daran interessiert ist, mehr Anwendungen auf dem Elektrofahrzeugmarkt zu verfolgen, da die Technologie aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Präzision mit anderen Verbindungsformen konkurrieren kann.

„Ein großer potenzieller Markt besteht darin, Lötprozesse durch laserbasierte Prozesse zu ersetzen“, erklärte er. „Löten ist teuer und erfordert viel Strom. Viele Elektrofahrzeuge verwenden Hartlöten, weil das Laserschweißen nicht die gewünschten Ergebnisse lieferte.

„Ebenso ist das Schweißen unterschiedlicher Materialien ein Bereich, in dem unsere Technologie sehr effektiv sein dürfte“, fuhr er fort. „Wir können jedem Material eine eigene Behandlung zuweisen, in dem Sinne, dass beim Schweißen unterschiedlicher Metalle, sagen wir, sie weisen einen Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit um eine Größenordnung auf, jede Seite so angepasst werden muss, dass die gesamte Schweißnaht gleich ist. Wir können ein asymmetrisches Strahlprofil erstellen, sodass die Seite, die mehr Leistung benötigt, mehr Leistung erhält und die Seite, die weniger Leistung benötigt, weniger. Zwischen beiden entsteht eine sehr gleichmäßige Schweißdynamik.“

Letztendlich geht es um das Schlüsselloch- und Schweißbadmanagement. Die Anwendung dieses Prinzips auf die additive Fertigung ist eine offensichtliche Konsequenz, weshalb Civan auch mit Smart Move zusammenarbeitet, um neue additive Fertigungstechnologien für Schweißen und Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF) zu entwickeln. Der Laser von Civan wird vom Laserscankopf von Smart Move gesteuert, sodass Schweiß- und LPBF-Anwender die Ausrichtung der Strahlform im Handumdrehen ändern können, was die Verwendung asymmetrischer Strahlformen in komplexen Geometrien ermöglicht.

„Die Integration unseres dynamischen Strahllasers mit modernster Scannertechnologie ermöglicht Schweiß- und LPBF-Kunden nicht nur die Verbesserung der Schweißvorschübe und der Geschwindigkeit der additiven Fertigung, sondern ermöglicht auch bisher unmögliche Anwendungen“, sagt Dr. Eyal Shekel, CEO von Civan sagte in einer Pressemitteilung.

„Es gibt ein sehr kleines Fenster der Wärmezufuhr und Vorschubgeschwindigkeit, das man nutzen kann, um die Schicht-für-Schicht-Konsistenz zu erreichen, die in einem additiv hergestellten Produkt erforderlich ist“, sagte Nissenbaum. „Wir haben es mit der Komplexität zu tun, das richtige Schweißprofil zwischen Leitung und Schlüsselloch zu erhalten. Die Strahlformung hilft bei der Aufrechterhaltung einer idealen Eindringtiefe und beseitigt Spritzerprobleme, bevor wir mit der Skalierung beginnen und uns mit der Geschwindigkeit befassen.“

Civan hat mit einer Reihe von Universitäten zusammengearbeitet, um einem breiteren Publikum die potenziellen Anwendungen seiner Technologie zu demonstrieren. Forscher des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart werden die Technologie des Unternehmens anhand ihrer Hochgeschwindigkeits-Röntgenvideoanlage zur Laser-Materialbearbeitungsdiagnostik untersuchen. Das System wird es Forschern ermöglichen, während Laserschweißprozessen einen Blick in das Schmelzbad zu werfen und die Möglichkeiten des Einsatzes der DBL-Technologie zur Verbesserung der Schlüssellochstabilität bei industriellen Schweißanwendungen weiter zu untersuchen.

Die TU Wien in Österreich hat simuliert, wie sich unterschiedliche Strahlformen auf eine Schweißnaht auswirken und warum bestimmte Formen besser funktionieren als andere.

Klar ist, dass eine feinere Steuerung von Lasern weiterhin Auswirkungen auf die Branche haben und das Wertversprechen sowohl von Schweiß- als auch von Additivanwendungen erweitern wird.