Ohne Klimaschutz ist eine moderne Industrie nicht vorstellbar. Mit ihrem hohen Bedarf an Ressourcen und ihren weltweiten Wertschöpfungsketten hat die Industrieproduktion eine besondere Verantwortung für die Umwelt – aber auch besonders große Hebel, um die Zukunft der Produktion nachhaltiger und umweltfreundlicher zu gestalten. Einer dieser Hebel ist die Lasertechnik. Bei vielen Anwendungen in der Industrie ist die Lasertechnik ein wichtiger Wegbereiter hin zu mehr Klimaschutz. Ein Beispiel dafür ist die Automobilindustrie.
Laser ersetzt Chemie
Die Autobauer und Batteriehersteller für E-Autos stehen vor großen Herausforderungen. Ihre Fertigung muss nicht nur immer kostengünstiger, sondern gleichzeitig auch umweltfreundlicher werden. Im Gleichschritt steigen jedoch auch die Qualitätsanforderungen. Der Laser ermöglicht es der Automobilindustrie, diese Herausforderungen gleichermaßen zu bewältigen.
Heute reinigt die Automobilindustrie Karosseriebauteile typischerweise mit chemischen Bädern. Doch das ist meist unnötig: Oft müssen nur bestimmte Bereiche des Bauteils gereinigt werden, zum Beispiel um Klebeverbindungen für den sogenannten kalten Rohbau vorzubereiten. Kurzpulslaser wie sie Trumpf anbietet, ermöglichen genau das. Die Automobilindustrie spart durch den Einsatz solcher Kurpulslaser im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren Wasser und chemische Reinigungsmittel. Die Oberflächen mit Nasschemikalien oder Schleifmitteln zu reinigen, erfordert außerdem ein zeitaufwendiges Maskieren der Teile. Das treibt die Kosten in die Höhe und macht die Reinigung aufwändiger, als sie sein muss.
Damit die Klebeverbindungen dauerhaft halten, müssen die Automobilhersteller die Karosseriebauteile nicht nur reinigen, sondern auch gezielt Strukturen einbringen. Auch hier eignen sich Kurzpulslaser. Sie können verschiedenste Metalle strukturieren und sind damit eine saubere Alternative zum Ätzen mit Chemikalien. Der Anwender kann die Parameter des Lasers, wie zum Beispiel die Laserleistung und Prozessgeschwindigkeit, je nach Metall anpassen.
Nachhaltige Batteriefertigung
Auch in der Elektromobilität bereiten Kurzpulslaser von Trumpf Klebeverbindungen vor. Batteriezellen für E-Autos müssen die Batteriehersteller in das Batteriepack kleben. Damit der Klebstoff besser haftet, reinigt und strukturiert der Laser vor dem Kleben die entsprechenden Stellen am Metall.
Ebenfalls in der E-Mobilität kommen VCSEL-Hochleistungs-Infrarot-Lasersysteme von Trumpf Photonic Components zum Einsatz. Diese Micro-Laser trocknen Batteriefolien für E-Autos. Die VCSEL-Heizsysteme arbeiten mit Infrarotstrahlung. Sie übertragen damit die Wärme direkt und gleichmäßig auf die gesamte Länge der Batteriefolie und das fast ohne Energieverlust. Der Prozess ist nicht nur effizienter, sondern auch deutlich schneller. Die VCSEL-Heizsysteme benötigen im Vergleich zu Standardöfen weniger Energie und außerdem deutlich weniger Platz in der Fertigungslinie.
Aber nicht nur bei der Fertigung von Batterien können die Hersteller viel Energie und Rohstoffe sparen. Die Gehäuse für die Leistungselektronik, die Schaltzentrale von E-Autos, können die Hersteller mit der Multifokusoptik von Trumpf jetzt auch aus leichtem und günstigem Aluminium fertigen. Alternative Verfahren wie das Löten sind um ein Vielfaches langsamer und mit einem hohen Energieaufwand verbunden. Sie sind deshalb für eine Serienfertigung kaum geeignet. Die Gehäuse führen wassergefüllte Kühlkanäle und müssen die empfindlichen Elektronikkomponenten gegen Feuchtigkeit und Witterung abschirmen. Die Schweißnähte müssen deshalb zu 100 % dicht sein. Mittels Laserschweißen gelingt das nur mit Lasern mit Multifokus-Optik.
Grüner Laser erzeugt deutlich weniger Ausschuss
Jede Menge Rohstoffe lassen sich beim Schweißen der Hochleistungselektroniken von E-Autos sparen. Das hat eine Untersuchung beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Helmholtz-Gemeinschaft in Hamburg ergeben. Beim Einsatz eines Lasers mit grüner Wellenlänge entsteht weitaus weniger Ausschuss als bei anderen Laserschweißverfahren. Autohersteller sparen Rohstoffe und tragen damit zu einer nachhaltigeren Fertigung bei.
Eines der wichtigsten Materialien in der Fertigung von Kernkomponenten – etwa Hochleistungselektroniken – für die E-Mobilität ist Kupfer. Dieses Buntmetall absorbiert nur rund 5 % der Laserstrahlung im nahen Infrarot-Bereich (NIR) und leitet die Wärme sehr gut ab. Beides führt zu erheblichen Problemen beim Schweißen. Trumpf hat neben NIR-Lasern auch Laser mit grüner Wellenlänge im Programm. Kupfer absorbiert die grüne Wellenlänge deutlich besser als die infrarote. Weil der Werkstoff somit seine Schmelztemperatur schneller erreicht, startet auch der Schweißprozess schneller und es ist weniger Laserleistung notwendig. Stabilere Prozesse beim Schweißen bedeuten weniger Ausschuss und damit auch mehr Nachhaltigkeit.
Feinstaubfreie Bremsen
Der Laser sorgt jedoch nicht nur für eine nachhaltigere Produktion, sondern auch für nachhaltigere Produkte. Ein Beispiel dafür ist das vom Ditzinger Laserspezialisten entwickelte Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen für Bremsscheiben. Dieses ermöglicht es erstmals, den Feinstaubausstoß von Bremsscheiben deutlich zu verringern. Gleichzeitig halten die Bremsscheiben nach dem Beschichten viele tausend Kilometer länger als unbeschichtete Bremsscheiben.
Die Gesundheitsbelastung durch Feinstaub ist nicht erst seit den Fahrverboten für Dieselautos in deutschen Großstädten ein wichtiges Thema. Feinstaub wirkt bereits in sehr geringer Konzentration gesundheitsschädigend. Dabei ist über die Hälfte der Partikelemission im Straßenverkehr auf den Verschleiß von Bremsen, Reifen, Kupplung und der Fahrbahn zurückzuführen, wovon wiederum etwa die Hälfte Bremsstaub ist. Durch immer mehr E-Autos auf den Straßen dürften feinstaubverursachende Quellen noch einmal mehr in den Fokus rücken. Trumpf erprobt den Serieneinsatz des Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißens bereits mit namhaften Automobil- und Bremsenherstellern. Das Laser-Verfahren ist kostengünstig und lässt sich in der Serienfertigung anwenden.
Das Marktpotenzial ist groß. Alleine in Deutschland fertigen die Automobilhersteller jedes Jahr rund 3,4 Mio. Autos. Für die bereits im Markt befindlichen rund 49 Mio. Autos in Deutschland müssen Autofahrer bislang je nach Fahrstil und Abnutzung ihre Bremsscheiben mehrmals erneuern, oft bereits nach 50.000 gefahrenen Kilometern. Künftig könnte das wesentlich seltener notwendig sein.
Nachhaltige Medizintechnik
Neben der Automobilindustrie profitieren auch andere Branchen von den Potenzialen der Lasertechnik. Trumpf macht mit seinem neuen Markierlaser TruMicro Mark 1020 beispielsweise auch den Einsatz von Medizintechnik nachhaltiger. Mit dem Ultrakurzpuls-Laser können Medizintechnikhersteller zum Beispiel Chirurgiebestecke aus Edelstahl so markieren, dass es trotz intensiver Reinigung niemals Rost ansetzt. Ärzte können das teure Chirurgiebesteck dadurch viele Jahre lang verwenden. Mit herkömmlichen Markierverfahren wäre das so nicht möglich.
Trumpf wird den neuen Ultrakurzpuls-Markierlaser auf der Weltleitmesse Laser – World of Photonics in München präsentieren (Halle A3, Stand 341). (mw)
