Beim Schweißen von Hochleistungselektronik lassen sich jede Menge Rohstoffe sparen – das hat eine Untersuchung beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Helmholtz-Gemeinschaft in Hamburg ergeben. Dabei nahmen Forscher gemeinsam mit dem Unternehmen Trumpf und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Laserschweißprozesse in den Fokus, die bei der Herstellung von E-Autos zum Einsatz kommen.
Die Partner brachten jeweils Fachwissen zu Röntgenstrahlung, Laserquellen und Schweißprozessen in die Analyse ein. Dadurch gelangen ihnen Einblicke, die für das Auge und für Mikroskope bislang unsichtbar blieben. Das Ergebnis: Beim Einsatz eines Lasers mit grüner Wellenlänge entsteht weitaus weniger Ausschuss als bei anderen Laserschweißverfahren. Autohersteller könnten damit Rohstoffe sparen und so zu einer nachhaltigeren Fertigung beitragen.
Detaillierte Einblicke durch Teilchenbeschleuniger
Die Projektpartner nutzten für ihre Untersuchung die Röntgenstrahlung des Teilchenbeschleunigers am Hereon-Versuchsaufbau für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit mehreren tausend bis zehntausend Bildern pro Sekunde. „Wir wollten mithilfe der Untersuchungen am Teilchenbeschleuniger genau wissen, was beim Kupferschweißen den Unterschied macht“, sagt Marc Hummel, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT. Ein stabiler Schweißprozess sei wichtig, da Hersteller von Elektrofahrzeugen mehrere Milliarden Verbindungen in höchster Qualität schweißen müssen.
Weniger Ausschuss in E-Mobilität
Kupfer ist das wichtigste Material für die Fertigung von Kernkomponenten in der E-Mobilität. Das Buntmetall absorbiert nur etwa fünf Prozent der Laserstrahlung im nahen Infrarot-Bereich (NIR) und leitet Wärme sehr gut ab. Beides führt zu erheblichen Problemen beim Schweißen, die Prozesse stehen deshalb auf dem Prüfstand.
Trumpf hat neben NIR-Lasern auch Laser mit grüner Wellenlänge im Programm. „Laser mit grüner Wellenlänge sind die Lösung des Problems“, sagt Mauritz Möller, Branchenmanager Automotive bei Trumpf. „Tatsächlich lässt sich Kupfer mit diesen Lasern besser schweißen.“
Kupfer absorbiert die grüne Wellenlänge deutlich besser als die infrarote. Weil der Werkstoff somit seine Schmelztemperatur schneller erreicht, startet auch der Schweißprozess schneller und benötigt weniger Laserleistung. Möller: „Stabilere Prozesse beim Schweißen bedeuten weniger Ausschuss und damit auch mehr Nachhaltigkeit, was bei der E-Mobilität ein großes Thema ist.“
Experimente am Teilchenbeschleuniger
Für die genaue Untersuchung von Schweißprozessen nutzt das Fraunhofer ILT in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen DESYs Röntgenlichtquelle Petra III am Versuchsaufbau des Helmholtz-Zentrums Hereon. „Herkömmliche Verfahren sehen eigentlich nur die elektromagnetischen Emissionen aus dem Plasma. Mit der Strahlung von DESY können wir nicht nur in die Schmelze hineinschauen, wir können sogar die schmelzflüssige Dynamik sichtbar machen“, erklärt Hummel.
Dazu hat ein Team des Fraunhofer ILT und Trumpf bei DESY Laserschweißprozesse mit zwei verschiedenen Lasersystemen untersucht: einem NIR-Laser und einem Laser mit grüner Wellenlänge. „Für uns ist das eine großartige Chance, um die Schweißprozesse an Industrieteilen zu untersuchen“, sagt Möller. „Wie entstehen zum Beispiel Spritzer und Poren, wie wirkt sich die Wärme aus dem Schweißprozess auf empfindliche Komponenten wie Elektronikbauteile aus.“
In Zukunft wollen Trumpf und das Fraunhofer ILT die Forschung auch auf andere Bereiche wie 3D-Druck, Laserschneiden und Laserstrahlbohren mit Ultrakurzpulslasern ausdehnen. Zudem sollen weitere Industriepartner ins Boot geholt werden.
