Technologiesprung durch grüne Laserstrahlung

Die Automobilindustrie befindet sich im Wandel hin zur E-Mobilität. Bei den Fügetechnologien für die benötigten Komponenten bewährt sich das Laserstrahlschweißen. Welche neuen Chancen eröffnet der „grüne Laser“?

Im Forschungsprojekt „GreenPls“ wird die Qualität der erzeugten Strahlung eines „grünen Lasers" für die Produktion von Elektromobilkomponenten optimiert.

Foto: WZL / RWTH Aachen

Hohe CO₂-Emissionen machen die Entwicklung alternativer Antriebskonzepte erforderlich. Elektrofahrzeuge stellen dabei aktuell die vielversprechendste Lösung dar, und entsprechend viele Forschungsaktivitäten fließen in die Weiterentwicklung der benötigten Komponenten. Eine der relevantesten Fügetechnologien für Bauteile der Elektromobilität ist das Laserstrahlschweißen. Die hohe Präzision, kontaktlose Schweißverbindungen und flexible Prozessgestaltungsmöglichkeiten ermöglichen es, besonderen Qualitätsanforderungen gerecht zu werden.

Werkstoffe stellen besondere Forderungen an die Fügetechnik

Aufgrund der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten werden häufig Werkstoffe wie Kupfer und Aluminium eingesetzt. Konventionell verwendete Infrarotlaser (IR) werden bei Raumtemperatur jedoch nur zu einem geringen Anteil von diesen hochreflektiven Werkstoffen absorbiert. Ein Lösungsansatz für das Fügen dieser Werkstoffe ist der Einsatz von grüner Laserstrahlung. Verglichen mit dem Infrarotlaser, wird die Strahlung um circa den Faktor 5 stärker in Kupfer absorbiert.

Während herkömmliche Laser außerhalb des visuellen Spektrums liegen, hat das von diesem Laser erzeugte visuelle Licht eine hellgrüne Farbe – darin liegt der Name begründet. Der grüne Laser kann eine Vielzahl von Kunststoffen, reflektierenden Materialien und wärmeempfindlichen Materialien markieren. Generell besteht Laserlicht aus elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 700 nm. Die Wellenlänge bestimmt, ob die Laser sichtbar oder unsichtbar sind und – falls sichtbar – welche Farbe das Laserlicht hat. Die Wellenlänge des grünen Lasers liegt bei 532 nm.

Modulare Laserbearbeitungseinheit für mehr Leistung

Um die Leistungsfähigkeit des grünen Lasers für die Produktion von Elektromobilkomponenten zu verbessern, wird am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) in Aachen ein umfassendes Konzept für eine modular aufgebaute Laserbearbeitungseinheit mit grüner Laserstrahlung entwickelt. Den passenden Rahmen bietet das laufende Forschungsprojekt „GreenPls“. Die Qualität der erzeugten Strahlung wird mit der von konventionellen Infrarotlasern verglichen. Hierzu wird parallel an den Forschungsfeldern „Prozessoptimierung und -überwachung“ sowie „Vorrichtungs- und Sicherheitstechnik“ gearbeitet. Außerdem wird ein auf das Anwendungsfeld der Elektromobilkomponenten angepasstes Anlagenlayout entwickelt.

Ideales Forschungsumfeld

Am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen werden die Forschungsarbeiten mit der Infrastruktur der „Anlauffabrik“ an der RWTH Aachen praktisch umgesetzt und unter realen Bedingungen getestet. Dazu werden Vorrichtungskomponenten und Prototypenbauteile mittels Laserschneiden und additiver Fertigung hergestellt. Das Sicherheitskonzept und die Batterie-Prototypen werden in der Laserschweißzelle entwickelt, erprobt und aufgebaut. Durch die vollumfängliche Betrachtung – von der Prozessentwicklung bis hin zu einem kompletten Anlagenlayout – soll ein hoher Reifegrad der Forschungsergebnisse erzielt werden. Dies gewährleistet eine schnelle industrielle Nutzung der Forschungsinhalte.

Der digitale Kick-off des Forschungsprojektes „GreenPls“, das unter der Leitung des Konsortialführers Bayerisches Laserzentrum (blz) und des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen University steht, hat im August 2020 stattgefunden. Dies läutete die Projektlaufzeit von zwei Jahren ein. In zwei Konsortialtreffen auf dem RWTH Aachen Campus in Aachen sowie beim Bayerischen Laserzentrum in Erlangen wurden erste Anlagen- und Vorrichtungskonzepte erarbeitet. Auch Schweißversuche mit Batteriekomponenten wurden an beiden Standorten, sowohl in der Anlauffabrik an der RWTH Aachen als auch im Technikum des blz, durchgeführt.

Große Chance für die Partner und den Standort

Das Konsortium aus vier Partnern sieht das Projekt als große Chance für den Fertigungsstandort Deutschland. Besonders kleinen und mittleren Unternehmen soll durch die Ergebnisse von GreenPls der Zugang zu neuen Produktfeldern und Absatzmärkten in der sich im Wandel befindenden Automobilindustrie ermöglicht werden. Für weitere Informationen steht Christian Höltgen, M. Sc., Email: c.hoeltgen@wzl.rwth-aachen.de bereit.

Die Partner im Projekt sind das Hochschulinstitut an der RWTH Aachen (mit dem Lehrstuhl für Produktionssystematik des Werkzeugmaschinenlabors), das Bayerische Laserzentrum GmbH, die Firma Haimerl Lasertechnik GmbH – Spezialist für das Schneiden, Stanzen, Biegen und (Laser-)Schweißen von Blech mit Sitz in Leonberg, sowie die HST H.Steinhardt GmbH, ein flexibles technisches Dienstleistungsunternehmen mit den Geschäftsbereichen Förder- und Schweißtechnik aus Schweinfurt.