Zusammenarbeit zwischen TRUMPF, Fraunhofer ILT und DESY liefert bislang detailreichste Einblicke in Laserschweißprozesse dank Teilchenbeschleuniger // Fraunhofer-Experte Marc Hummel: »Wir konnten nun erstmals eindeutig nachweisen, dass sich beim Schweißen von Hochleistungselektronik durch den Einsatz von Lasern mit grüner Wellenlänge Rohstoffe einsparen lassen.«
Jede Menge Rohstoffe lassen sich beim Schweißen von Hochleistungselektroniken sparen. Das hat eine Untersuchung beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Helmholtz-Gemeinschaft in Hamburg ergeben. Hochleistungselektronik steckt in jedem E-Auto und sorgt als Schlüsseltechnologie für die beste Leistung von Batterie und Motor. Die Hamburger Forscher untersuchten nun gemeinsam mit dem Hochtechnologieunternehmen TRUMPF und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Laserschweißprozesse, die bei der Herstellung von E-Autos zum Einsatz kommen. TRUMPF, Fraunhofer ILT, DESY und das Helmholtz-Zentrum Hereon brachten jeweils hochspezialisiertes Wissen zu Röntgenstrahlung, Laserquellen und Schweißprozessen ein. Dadurch gelangen nun erstmals Einblicke, die für das Auge und selbst für Mikroskope unsichtbar bleiben. Das Ergebnis: Beim Einsatz eines Lasers mit grüner Wellenlänge entsteht weitaus weniger Ausschuss als bei anderen Laserschweißverfahren. Autohersteller sparen Rohstoffe und tragen damit zu nachhaltigerer Fertigung bei.
Die Projektpartner nutzten für ihre Untersuchung die brillante 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. Ein stabiler Schweißprozess ist wichtig, da die Hersteller von Elektrofahrzeugen mehrere Milliarden Verbindungen in höchster Qualität schweißen müssen«, sagt Marc Hummel, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT. In Zukunft wollen TRUMPF und das Fraunhofer ILT die Forschung auch auf andere Bereiche wie 3D-Druck, Laserschneiden und Laserstrahlbohren mit Ultrakurzpulslasern ausdehnen und weitere Industriepartner mit ins Boot holen.
Die Elektromobilität stellt die Lasertechnik vor große Herausforderungen. Kupfer ist das wichtigste Material für die Fertigung von Kernkomponenten für die E-Mobilität. Dieses Buntmetall absorbiert nur etwa 5 Prozent der Laserstrahlung im nahen Infrarot-Bereich (NIR) und leitet die 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. Tatsächlich lässt sich Kupfer mit diesen Lasern besser schweißen«, sagt Mauritz Möller, Branchenmanager Automotive bei TRUMPF. 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, was bei der E-Mobilität ein großes Thema ist«, sagt Mauritz Möller.
Für die genaue Untersuchung von Schweißprozessen nutzen Experten vom 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 Marc Hummel.
Dazu hat ein Team des Fraunhofer ILT und von TRUMPF bei DESY Laserschweißprozesse mit zwei verschiedenen Lasersystemen untersucht: Einen NIR-Laser und einen Laser mit grüner Wellenlänge. »Für uns ist das eine großartige Chance, um die Schweißprozesse an Industrieteilen zu untersuchen. Wie entstehen zum Beispiel Spritzer und Poren, wie wirkt sich die Wärme aus dem Schweißprozess auf empfindliche Komponenten wie Elektronikbauteile aus«, sagt Mauritz Möller.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT