Lasertechnologie bringt Elektroautos voran : Datum:
Forschende des WIR!-Bündnisses LASER.region.AACHEN arbeiten im Projekt LeAs daran, die Produktion von Elektroautos effizienter zu gestalten. Sie nutzen Verfahren wie Laserreinigung und Laserschweißen, um die Fertigung des elektrifizierten Antriebsstrangs gezielt zu verbessern.
Im Frühjahr dieses Jahres stieg der Anteil von Elektroautos an den PKW-Neuzulassungen in Deutschland so stark, dass die Medien von einem Boom sprachen. Die Zukunft gehört ohnehin dem Elektroantrieb, nicht zuletzt wegen der EU-Vorgaben. „Die Verankerung regionaler kleiner und mittlerer Unternehmen im Markt der E-Mobilität schafft langfristig sichere Arbeitsplätze im Rheinischen Braunkohlerevier und verhindert die Abwanderung hochqualifizierter Hochschulabsolventen“, sagt Markus Schleser, Professor für Füge- und Trenntechnik sowie Lasertechnologie an der Fachhochschule (FH) Aachen.
Er koordiniert das Projekt „Laser im elektrifizierten Antriebsstrang“ (LeAs). Seit Juli 2023 entwickeln die FH Aachen und vier Lasertechnik-Unternehmen aus der Region Aachen gemeinsam Lösungen für die Herausforderungen in der Elektromobilität. Die Region Aachen ist als Teil des Rheinischen Reviers vom Strukturwandel betroffen. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert LeAs daher im Rahmen der Programmlinie „WIR! – Wandel durch Innovation in der Region“. Das Bündnis soll einen nachhaltigen innovationsbasierten Strukturwandel in der Region Aachen anstoßen. Die Projektpartner haben bereits einige bemerkenswerte Erfolge erzielt.
Ein Beispiel dafür ist der Fertigungsprozess rund um den Stator. Traditionell bestehen die Wicklungen in dem feststehenden Außenteil des Elektromotors aus rundem Kupferdraht. Bei Stromfluss erzeugen sie das Magnetfeld, durch das der sich drehende Teil des Motors – der Rotor – und damit das Auto angetrieben wird.
Laserstrahlung beschleunigt die Prozesse
Der Stator besteht aus einem festen Eisenkern mit schmalen Schlitzen, den Nuten, in die der Kupferdraht eingelegt wird. Viele moderne Elektromotoren nutzen die Hairpin-Technologie: In die Nuten werden flache Kupferstäbe eingesetzt, deren gebogene U-Form an Haarnadeln erinnert. Dadurch füllt der Kupferleiter den Bauraum besser aus und ermöglicht so eine höhere Stromdichte, was den Motor leistungsstärker macht.
Am Anfang steht lackierter Kupferdraht, mehrere Kilometer lang auf Spulen gewickelt. Von der Spule wird der Draht abgewickelt und gerichtet, mit dem Laser partiell entlackt und auf entsprechende Länge geschnitten. Danach wird der Draht umgebogen, in die Nuten eingesetzt und noch einmal gebogen. Die dann nach obenstehenden entlackten Kupferenden werden mittels Laserstrahlschweißen miteinander verbunden. Anschließend werden die Enden wieder, meistens mit Lack, isoliert.
Der Grund für dieses Vorgehen ist, dass das Aufbringen des für die Isolierung der Stäbe erforderlichen Lacks im Vorfeld einfacher umzusetzen ist. Nachteilig ist, dass der Draht vor dem Verschweißen an den Kontaktstellen entlackt werden muss, da der Lack sonst ein Verschweißen nahezu unmöglich macht. Um die unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Elektromotorenhersteller bei der Hairpin-Entlackung zu erfüllen, entwickelt Clean-Lasersysteme, ein auf industrielle Oberflächenbearbeitung und -reinigung mittels Laser spezialisierter Anbieter, im Projekt LeAs eine modular aufgebaute Anlage. Die Fachleute des Unternehmens konnten nachweisen, dass die Kombination von hochdynamischen Scansystemen und leistungsstärkeren Lasern die derzeitige Prozessgeschwindigkeit verdoppeln kann.“
Aluminium statt Kupfer senkt die Kosten
Die Forschenden der FH Aachen ermöglichen es den Elektromotorenherstellern außerdem, von Kupfer-Hairpins auf Aluminium umzusteigen. Aluminium ist kostengünstiger und leichter. Doch während das Laserstrahlschweißen von Hairpins aus Kupfer etabliert ist, erschwert die bislang nicht ausgereifte Fügetechnik den Wechsel zu Aluminium. Denn Aluminium verhält sich beim Laserstrahlschweißen anders: Im Gegensatz zu Kupfer erstarrte es bislang nicht zuverlässig zu einer gleichmäßig kugelförmigen Perle. Diese Form dient jedoch als Qualitätsmaßstab, da sie von einer automatischen Bilderkennung als Maß für die Qualität der Schweißverbindung erfasst wird.
„Dieses Problem konnten wir im Projekt lösen“, freut sich Schleser. Die Forschenden nutzten dafür das innovative Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa) und passten den Prozess so an, dass die Schmelze eine möglichst runde und reproduzierbare Form bekommt. Denn anders als an der Luft bildet sich im Vakuum keine störende Oxidhaut auf der Schmelze und auch die für Aluminium typische Porenbildung wird weitgehend vermieden.
Wie die Forschenden zeigen konnten, eignet sich diese innovative Fügetechnik auch hervorragend für die Herstellung von Sammelschienen aus Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen. Solche Schienen, auch als Busbars bezeichnet, verteilen den elektrischen Strom effizient zwischen verschiedenen Bauteilen eines Elektroautos. Das für das Verfahren notwendige Vakuum wird üblicherweise in Kammern mit einem Volumen von 90 Litern erzeugt. LaVa-X, ein Unternehmen, das Maschinen für das LaVa-Verfahren vertreibt, hat im Projekt LeAs den Prototyp einer Laserstrahlschweißzange weiterentwickelt, die innerhalb der beiden Spannbacken der Zange ein lokales Vakuum im Bereich der Schweißung erzeugt. Das beschleunigt das Verfahren, weil das Vakuum sehr schnell entsteht, und eröffnet mehr Freiheiten bei den Bauteilgrößen.
„Auch unsere anderen Partner, das LBBZ Laser-Bearbeitungs- und Beratungszentrum NRW sowie LSA – die Laser Analytical Systems und Automation GmbH – haben in anderen Teilprojekten bereits erhebliche Fortschritte erzielt“, betont Schleser. „Wir sind auf einem guten Weg, mit unserem WIR!-Bündnisprojekt überregionale Strahlkraft für die Leistungen und Produkte der Bündnispartner zu generieren.“