In den Megatrends „Digitale Vernetzung“ und „Elektromobilität“ sieht Dr. Mathias Kammüller große Chancen für die Hersteller und die Nutzer von Laserfertigungssystemen. Der Chief Digital Officer (CDO) des Ditzinger Laserspezialisten Trumpf ist überzeugt: „Die vernetzte Produktion und die Mobilität der Zukunft werden bei uns Arbeitsplätze in Entwicklung, Produktion und Applikation zumindest sichern, teilweise sogar neu schaffen.“ Gerade in der Übergangsphase vom Verbrenner zum reinen Elektroauto ermöglichten es digital vernetzte Laser überhaupt erst, beide Varianten quasi auf Knopfdruck vom selben Band rollen zu lassen.
Dr. Christian Schmitz zitiert eine VDMA-Studie, derzufolge bis 2030 rund 78 % aller neuzugelassenen Fahrzeuge mehr oder weniger elektrifiziert sein werden – vom Hybrid (56 %) bis zum reinen E-Mobil (22 %). Deshalb steht für den CEO Lasertechnology bei Trumpf fest: „Die Automobil- und Zulieferindustrie muss sich auf die Massenproduktion für die Elektromobilität vorbereiten.“ Wer jetzt die Weichen richtig stelle, habe gute Aussichten, „denn anders als bei den Verbrennern ist in der E-Mobilität die Wertschöpfung noch nicht verteilt“. Wichtig seien dabei robuste Fertigungsverfahren, die sich schnell von den heute noch niedrigen Produktionsvolumina auf eine Massenproduktion umstellen lassen. Und dafür sei der Laser das perfekte Werkzeug.
Bei den leistungsstarken Motoren für Elektrofahrzeuge setzen die Hersteller inzwischen vermehrt auf die so genannte Hairpin-Technologie. Dabei schießt eine Druckluftpistole einen rechteckigen Kupferdraht, einer Haarnadel ähnlich, in eine Nut am Rand des Motors. Anschließend werden die Drähte ineinander verdreht und per Laser geschweißt. Das aufwändige und zeitintensive Wickeln von Spulen mit dicken Kupferdrähten entfällt. „Mit unserer Lösung aus Laser, Optik, digitaler Bildverarbeitung und Prozesssteuerung lassen sich in etwas mehr als einer Minute alle 200 Schweißungen pro Motor erledigen“, betont Schmitz. Das sei effektiv und die Motoren seien am Ende sogar effizienter als ihre klassisch hergestellten Pendants.
Zuverlässige Prozesse sind zwingende Voraussetzung
Ein anderes Beispiel, wie sich mit Hilfe von Lasern Komponenten für die Elektromobilität millionenfach, prozesssicher und gleichzeitig bezahlbar herstellen lassen, findet sich laut Schmitz in der Produktion der Energiespeicher. „Die Batterien bestehen aus mehreren Schichten hauchdünner Kupfer- und Alufolien, die mit dem Laser zugeschnitten werden. Anschließend wird flüssiges Elektrolyt eingefüllt und die Batterie mit einem Deckel verschweißt – diese Schweißungen müssen absolut dicht sein. Denn: Sollte die Batterie im Betrieb einen Defekt erleiden, besteht Brand- und Verletzungsgefahr.“
Von der Batteriezelle über das Batteriemodul hin zum Batteriepack übernimmt der Laser sämtliche Schweißvorgänge. Die Anlagen besitzen Sensorsysteme und sind über eine Software mit einer Cloudlösungen verbunden. Die Sensoren liefern Werte für die Qualitätssicherung und die Dokumentation, steuern aber auch das Schweißverfahren. Schmitz erklärt: „Die Batteriehersteller stehen vor dem Problem, dass sie die Funktionsfähigkeit der Batterie erst am Ende des Herstellungsverfahrens testen können. Sie brauchen die durchgängige Überwachung der Prozesskette, um am Ende die Funktionsfähigkeit der Batterie zu gewährleisten.“
Die Anforderungen an die Dichtheit von Batteriepacks kennt Trumpf laut Schmitz bereits aus der Medizintechnik. „Wir haben weltweit über 500 Laser verkauft, die in der Batterieproduktion zum Einsatz kommen. Viele unserer Produkte können wir aus dem Stand für die Fertigung von E-Komponenten einsetzen.“
Auch auf der Lasys wird der Einsatz des Lasers in der Automobilfertigung ein Thema sein. Die Fachmesse für Laser-Materialbearbeitung findet vom 5. bis 7. Juni in Stuttgart statt. Zu den Ausstellern gehört neben Trumpf (Halle 4, Stand C51) auch das Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik (IWS) in Dresden (Halle 4, Stand C17). Für Dr. Jens Standfuß, Leiter des Geschäftsfelds Fügen beim IWS, steht fest: „Die Anwendung des Lasers zieht sich durch die gesamte Prozesskette der Elektroautomobilfertigung, ganz gleich, ob es die Batterieherstellung, elektrische Kontaktierungen, Verbindungen oder den Antriebsstrang betrifft.“
Und Thibault Bautze, Leiter Technischer Vertrieb Blackbird Robotersysteme (Halle 4, Stand D35), sagt: „Gerade im Bereich der Elektromobilität ist für eine Vielzahl von Anwendungen eine stoffschlüssige Verbindung unterschiedlicher Materialien, wie etwa zwischen Kupfer und Aluminium, als Ersatz für mechanisch gefügte Verbindungen interessant.“ Statt verschraubt, wird nun die Aluminiumelektrode mit der Kupferableitung verschweißt. „Dank des sehr gut fokussierbaren Lasers“, so Bautze weiter, „ lässt sich die Leistung zum Aufschmelzen mit einer sehr hohen Dichte ins Bauteil einbringen.“ Dadurch könne die Schweißnaht hochgenau platziert werden. Dies erlaube einerseits das Bearbeiten sehr kleiner Bauteile, andererseits könne trotzdem ein Abstand zu wärmeempfindlichen Materialien, wie Kunststoffen, eingehalten werden. „Vorteile sind unter anderem eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit der Kontaktierung, ein gleichmäßiger Wärmeübergang und höhere mechanische Belastbarkeit“, erläutert Bautze und fährt fort: „Bei diesem Materialmix kann der Laser, vor allem in Verbindung mit einem Scanner, seine ganzen Vorteile beim Laserschweißen aufzeigen. In Kombination mit Bildsensoren zur Bauteillageerfassung sind sehr kurze Taktzeiten und schlanke Fertigungsstationen realisierbar, die mit konventionellen Fügeverfahren nicht erzielbar wären.“
Und nicht nur im Bereich des Antriebsstrangs bietet der Laser interessante Möglichkeiten. Auch beim Beschneiden hochfester Bleche oder faserverstärkter Kunststoffe für Chassis- und Fahrwerkskomponenten ist Licht ein effizientes und zuverlässiges Werkzeug, das für die Massenproduktion taugt.
Doch trotz aller Chancen, die die Elektromobilität Laserexperten bietet – die Powertrain-Spezialisten unter den Zerspanern werden so schnell nicht arbeitslos. Denn die VDMA-Studie besagt ebenso: 2030 werden noch immer rund 78 % aller neu zugelassenen Fahrzeuge – auch – einen Verbrennungsmotor haben.
