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MikroPuls: innovatives Laserstrahlschweißverfahren zur produktiveren Herstellung von Batteriezellen

Im Rahmen des IGF-Projekts MikroPuls entwickelt das Fraunhofer ILT Laserverfahren für die effiziente Kontaktierung von Batteriezellen (im Bild: lasergeschweißte Kupferverbinder an zylindrischen Zellen).

Elektromotoren sind zum großen Teil verantwortlich für unser „bewegtes“ Leben – von Gebläsen, Kompressoren, Pumpen und Elektrogeräten bis hin zu Pkw- und Lkw-Motoren und vielleicht sogar bald Verkehrsflugzeugen. Der Aufbau leistungsfähiger Produktionszentren für Batteriezellen, die solche Motoren antreiben, steht daher weit oben auf der aktuellen Agenda der Industrie für Elektromobilität.

Um diesen Aufbau voranzutreiben, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT das Laserstrahlschweißen mit Kurzpuls-Strahlquellen erprobt (MikroPuls). Denn bei der Optimierung von Batteriezellen besteht eine besondere Herausforderung in der Verbindungstechnik, da Batteriezellen thermisch und mechanisch sehr empfindlich sind und ungleiche Materialien miteinander verbunden werden müssen. Eine präzise Steuerung der Einschweißtiefe und des Energieeintrags mit minimaler Bauteilbelastung ist dabei unerlässlich. Durch die Verwendung von Nanosekunden-gepulsten Strahlquellen bietet sich hier ein neuartiger Lösungsansatz zur besseren Kontrolle des Energieeinsatzes und zur Verbindung artungleicher Werkstoffe an.

Vorteile des Laserstrahlschweißens mit Kurzpuls-Strahlquellen

Eine Kurzpuls-Strahlquelle wie der Nanosekunden-gepulste Faserlaser wird normalerweise hauptsächlich für Anwendungen eingesetzt, bei denen Materialabtrag gewünscht ist, beispielsweise beim Laserbohren und Laserstrukturieren. Zur Kontaktierung von Kupfer- und Aluminium-Verbindungen hingegen werden in der Regel Faserlaser eingesetzt, die kontinuierlich betrieben werden (sogenanntes CW-Schweißen: Continuous Wave).

Versuche, unter anderem mit Kupfer-Aluminium-Verbindungen an Pouch-Zellen (die zum Beispiel für Smartphones und Tablets genutzt werden) und Kupfer-Stahl-Verbindungen an zylindrischen Zellen, haben ergeben, dass mit der MikroPuls-Fügung genauso stabile Verbindungen wie beim CW-Schweißen zustande kommen. Der Vorteil: Niedrigerer Energieaufwand, höhere Wiederholgenauigkeit und geringere intermetallische Phasen, bei denen chemisch unerwünschte Verbindungen in Form mikroskopisch kleiner Bestandteile auftreten könnten.

Flexibilität für kleine und mittlere Unternehmen (KMU)

Eine Anlage des Fraunhofer ILT, die sowohl einen CW-Faserlaser als auch einen Nanosekunden-gepulsten Faserlaser integriert hat, ist bereits in Betrieb. Dabei lassen sich die Strahlquellen individuell ansteuern. Die Anlage ermöglicht neben dem Fügen auch den Materialabtrag, etwa, um Oberflächen zu strukturieren. Solch eine Anlage ist besonders für KMU interessant, denn es entstehen keine Mehrkosten durch eine Neuanschaffung: Bei bereits bestehender Anlagentechnik (beispielsweise für das Laserbohren oder Laserstrukturieren) lässt sich die Anlage mit überschaubarem finanziellen und zeitlichen Aufwand für einen Schweißprozess umrüsten. Außerdem verschafft der Nanosekundenlaser eine hohe Flexibilität insbesondere dort, wo mehrere Verfahren (unter anderem Strukturieren und Schweißen) parallel laufen sollen.

Die Inovan GmbH & Co. KG, Hersteller von stanztechnisch hergestellten Verbindungselementen für Anwendungen in der Elektronik und Elektrotechnik, ist einer der Industriepartner des Forschungsprojekts MikroPuls. Arno Marto, Leiter Forschung & Entwicklung bei der Inovan GmbH, erkennt in der Zusammenarbeit eine zukunftsweisende Relevanz: „Für uns als Hersteller der Verbindungselemente ist es wichtig, neue Technologien frühzeitig zu erkennen und in unseren Produkten zu berücksichtigen. So hat sich aus einem anderen Projekt für Inovan ein neues Produkt ergeben, das mittlerweile in Serie eingeführt ist. Ein nicht zu unterschätzender Vorteil der Mitarbeit bei Forschungsprojekten ist auch der Transfer technologischer Kompetenz in unser Unternehmen – ein Alleinstellungsmerkmal der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF). Dieser Vorteil kommt uns in der Diskussion mit Kunden sehr zugute.“

Das vorwettbewerbliche IGF-Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit öffentlichen Mitteln gefördert.

Forschungsvereinigung

Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS

Forschungseinrichtungen

Fraunhofer-Gesellschaft e.V., Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

 

Foto: © Fraunhofer ILT, Aachen
 

Feinkontaktierung thermisch empfindlicher Werkstoffe der Elektrotechnik mittels kurzen Laserpulsen– IGF-Projektsteckbrief 20895 N