Laser machen mobil

Technik

Mobilität ist längst ein Grundbedürfnis industrialisierter Gesellschaften. Doch Bewegung erfordert Energieeinsatz. Dem gegenüber stehen regulierende Maßnahmen der Energiepolitik zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes.

04. Oktober 2011

Die Automobilhersteller sind in der Pflicht. Sie steigern die Effizienz von neuen Fahrzeugmodellen, indem sie beispielsweise Gewicht reduzieren oder in gänzlich neue Antriebskonzepte wie Elektromobilität investieren. Die Lasertechnik ist in beiden Fällen eine Schlüsseltechnologie, da sie eine präzise und effiziente Bearbeitung garantiert und manche Produktionsverfahren überhaupt erst ermöglicht.

Leichte und formstabile Karosseriebauteile

Durch den Einsatz pressgehärteter Stähle kann das Gewicht einer Karosse deutlich reduziert werden. Diese Stähle haben eine extrem hohe Festigkeit und ermöglichen einen geringeren Materialeinsatz im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen. Durch diese Maßnahmen reduziert sich nicht nur der Kraftstoffverbrauch, auch die Sicherheit erhöht sich.

Maschinen und Laser von Trumpf werden in zahlreichen Prozessschritten für die Verarbeitung hochfester Stähle eingesetzt, auf der Emo illustriert anhand eines Golf GTI.

Die meisten pressgehärteten Karosserieteile werden aus Aluminium-Silizium beschichtetem, borlegiertem Stahl gefertigt. Dieser wird normalerweise vom Coil in einer Platinenschneidpresse bearbeitet.

Das Beschneiden flacher Platinen kann aber auch von einer 2D-Laserschneidmaschine erledigt werden. Die bietet den Vorteil, dass die Bauteile per Software jederzeit flexibel verändert werden können, ohne teures Schneidwerkzeug tauschen oder gar eigens anfertigen zu müssen. Die Laserbearbeitung lässt ferner das Schachteln der Bauteile zu, sodass sich die Ausnutzung des Materials merklich erhöht.

Die Platinen werden anschließend in einer Ofenstrecke erwärmt, um das Material plastisch und damit gut formbar zu machen. Hierzu können ›Truheat‹-Generatoren zur Induktionserwärmung dienen. Die Produkte von Hüttinger Elektronik weisen eine hohe Energieeffizienz auf und können daher die Betriebskosten im Vergleich zu Gasfeuerungen reduzieren.

Durch das Abschrecken in einer Formpresse erreichen die Teile eine Zugfestigkeit von rund 1500 MPa. Das hochfeste Material lässt sich durch konventionelle Verfahren kaum mehr wirtschaftlich bearbeiten, wohl aber mit 3D-Laserschneidanlagen. Hierfür hat Trumpf mit der ›Trulaser Cell 8030‹ mit Scheibenlaser eine spezielle Maschine entwickelt.

Die Strukturbauteile können per 3D-Schweißzellen mit ›Trudisk‹-Lasern und Remote-Schweißoptiken verschweißt werden. Eine Nachverfolgbarkeit der gefertigten Teile stellen lasermarkierte Barcodes sicher. Die Laserkennzeichnung bietet den Vorteil der langfristigen Beständigkeit und hohen Qualität.

40 Prozent Zeitersparnis

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz des Lasers in der Automobilfertigung auf der Emo war eine Nutzfahrzeugachse. Problem hier: der hohe Kohlenstoffgehalt des Werkstoffs. Dieser lässt sich mit konventionellen Methoden nicht schweißen, denn das Material wird schnell rissig und spröde. Durch Vorwärmen mit Truheat-Generatoren und speziellen Induktoren werden die Achsenbauteile für den nachfolgenden Schweißprozess optimal vorbereitet. Rissbildung und Versprödung werden verhindert.

Die Tiefschweißnähte an den Achsrändern schweißt der Laser. Der große Vorteil: eine geringere Wärmeeinbringung und damit ein reduzierter Verzug. Die geringere thermische Belastung und eine gesteuerte Abkühlung nach dem Schweißprozess vermeiden Risse und erhöhen die Belastbarkeit des Achsbauteils.

Zusätzliche Arbeitsschritte wie mechanische Nacharbeiten entfallen aufgrund der Qualität der Schweißnähte. Insgesamt lassen sich Nutzfahrzeugachsen durch Laserschweißen in 40 Prozent weniger Zeit herstellen.

Laser als Grundlage für E-Mobility

Eine der größten Herausforderungen einer flächendeckenden Elektromobilität ist die Herstellung schnellaufladbarer, leistungsstarker und langlebiger Batterien für Elektromotoren. Diese Energiespeicher sind mit den für Alltagsanwendungen eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus nicht vergleichbar, da sie während eines normalen Beschleunigungsvorgangs eine sehr hohe Leistungsdichte in sehr kurzer Zeit zur Verfügung stellen müssen. Diese Stromspitzen stellen hohe Anforderungen an das Batteriemanagement im Hinblick auf Leistungshöhe und -dauer. Gleichzeitig muss die Wiederaufladung schnell erfolgen, da die Verfügbarkeit eines der Erfolgskriterien für die Praktikabilität von Elektromotoren ist.

Auch in puncto Lebenszyklusdauer müssen künftige Batterien für Elektromobile wesentlich robuster sein als Lithium-Ionen-Akkus. Derzeitige Batterien in Elektromobilen haben drei bis vier Stunden Ladezeit und bis 200 km Reichweite. Um Effizienz und Leistungsstärke dieser Speicher zu erhöhen, soll eine Kombination mehrerer Batteriezellen leistungsstarke Gesamtakkus schaffen.

Alltagstaugliche Batterien sind derzeit für Elektrofahrräder realisiert. Als Beispiel hierfür zeigte Trumpf auf der Emo das E-Bike ›Elmoto‹. Dessen Batterie besteht aus einer einzigen Zelle, die rund 2,2 A liefert.

Für die Fertigung leistungsstarker Energiespeicher eignet sich Lasertechnik gut, denn beim Schneiden und Schweißen von Batteriebauteilen wie Gehäusen oder Zellverbindern kann der Laser all seine Vorteile ausspielen: Die berührungslose Bearbeitung sorgt für eine geringe mechanische Belastung des Materials, die lokal begrenzte, geringe Wärmeeinwirkung für verzugsfreie Nähte. Das Ziel, immer kleinere und leistungsstärkere Zellen in einen Batterieblock zu integrieren, unterstützt die Lasertechnik durch hohe Bearbeitungsqualität und Präzision in der Fertigung und Feinbearbeitung kleiner Bauteile. Effiziente Fertigung auf Lasermaschinen mit hoher Produktivität und niedrigen Teilekosten ermöglicht die Herstellung großer Volumina zu günstigen Preisen.

Erschienen in Ausgabe: 05/2011