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Hocheffiziente Laserlösungen für Fügen und Auftragschweißen: Laserline auf der Schweißen & Schneiden 2023

Von
Michael Beyrau
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Mülheim-Kärlich, 31.08.23 – Laserline stellt auf der diesjährigen Schweißen & Schneiden (11. bis 15. September 2023 in Essen, Halle 5, Stand 5B18) hocheffiziente Laserlösungen für Fügen und Auftragschweißen vor. Im Mittelpunkt stehen dabei die weltweit ersten blauen Diodenlaser mit 4 kW Ausgangsleistung, die insbesondere für die Bearbeitung von Kupferbauteilen entwickelt wurden. Ihre Wellenlänge von 445 nm wird von Kupfer und Kupferlegierungen fünfmal besser absorbiert als Infrarotstrahlung, was außergewöhnlich ruhige Schmelzbäder ohne Porenbildung ermöglicht. Die Leistungssteigerung auf 4 kW sorgt für schnellere und energieeffizientere Schweißprozesse und erhöht die Wirtschaftlichkeit der Anwendungen deutlich.

Ein weiteres Laserline Messe-Highlight im Bereich Fügetechnik sind Multi-Spot-Optiken zur anwendungsoptimierten Strahlformung. Die für den Einsatz in Verbindung mit Laserline Diodenlasern entwickelten Multi-Spot-Module ermöglichen sowohl eine Strahlteilung zur Erzeugung mehrerer Einzelspots als auch die spotindividuelle Anpassung von Geometrie und Intensitätsverteilung. Dadurch lassen sich Löt- und Schweißprozesse mit hochgradig individualisierter Strahlformung umsetzen, bei gleichzeitig hoher Positionsgenauigkeit der eingesetzten Spots. Module für ein prozessruhiges und schnelles Hartlöten feuerverzinkter Bleche werden ebenso gezeigt wie Module für die spritzerfreie Realisierung symmetrischer oder asymmetrischer Nähte mit angepasstem Einbrandprofil.

Als Lösung für das Segment Auftragschweißen präsentiert Laserline seinen neuen 10 kW Diodenlaser der Baureihe LDM, der sich mit einer Strahlqualität von 100 mm·mrad für eine Vielzahl von Beschichtungsanwendungen eignet. Die kompakte Bauweise im 19“-Format (7 HE) ermöglicht die einfache und schnelle Integration des Lasers in bestehende Maschinen- und Anlagenkonzepte. Mit seiner bislang unerreichten Packungsdichte von 9,6 dm3/kW (<10 Liter Bauraum für 1 kW Laserleistung) benötigt er dabei lediglich ein Drittel des Raums, den Faserlaser vergleichbarer Leistung in Anspruch nehmen. Darüber hinaus stellt Laserline in Essen auch diodenlaserbasierte Beschichtungs-Lösungen für Bremsscheiben für Straßen- und Schienenfahrzeuge oder Gleitlagerbolzen für Planetengetriebe von Windkraftanlagen vor – Lösungen, die durch bis zu 90prozentige Feinstaubreduktion (Bremsscheiben) bzw. langfristige Ressourcen- und Werkstückschonung (WKA-Planetengetriebe) einen wichtigen Beitrag zu Umwelt- und Klimaschutz leisten. Nähere Informationen zu allen Anwendungen und Laserlösungen gibt es unter www.laserline.com.

Batteriezellfertigung: Lasertrocknen reduziert Betriebskosten und erforderliche Produktionsfläche deutlich

Von
Sandra Sauer
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Mülheim-Kärlich, 01.08.23 – Als Standardverfahren zur Trocknung von Batterieelektroden galt bislang die Konvektionstrocknung im gas- oder strombetriebenen Durchlaufofen. Ambitionierte Klimaschutzziele und steigende Energiepreise machen dieses Verfahren jedoch zunehmend unattraktiv. Batteriehersteller suchen daher verstärkt nach Alternativen – und diese bestehen wahlweise in Verbesserungen etablierter Prozesse oder komplett neuen Verfahren wie etwa dem Dry-Coating oder der Vakuum-Beschichtung. Ersteres wurde vor allem von Tesla als zukunftsfähiges Verfahren dargestellt und ist zumindest theoretisch in der Lage, einige grundlegende Schwierigkeiten der Batteriezellfertigung zu überwinden. Die serielle Umsetzung wird aber unter anderem durch diverse Patentansprüche erschwert.

Vor diesem Hintergrund ist im Rahmen des seit zwei Jahren laufenden IDEEL-Projektes (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) ein innovatives Lasertrocknungsverfahren zur emissionsarmen und wirtschaftlichen Serienfertigung von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt worden. Es basiert auf Laserline Hochleistungsdiodenlasern, ermöglicht erstmals die Herstellung von Anoden und Kathoden im Rolle-zu-Rolle-Prozess und ist mit einer Betriebskostenersparnis von 30 Prozent sowie einer Halbierung der erforderlichen Produktionsfläche ein Meilenstein auf dem Weg zu einer CO2-neutralen und wettbewerbsfähigen Batteriezellfertigung. Mehrere große Batterie- bzw. Automobilhersteller qualifizieren das Verfahren derzeit in Pilotfertigungen. Spätestens ab 2024 ist mit einer industriellen Umsetzung auf breiter Front zu rechnen.

Nähere Informationen über den Aufbau und die Vorteile des neuen Verfahrens bietet das Whitepaper „Diode Laser Drying of Electrodes for Lithium-Ion Batteries“, das von Laserline Experten sowie Mitarbeitern des Lehrstuhls PEM (Production Engineering of E-Mobility Components) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen verfasst wurde. Das Whitepaper steht hier zum kostenlosen Download bereit.

Laser World of Photonics 2023: Laserline präsentiert ersten blauen Diodenlaser mit 4 kW Ausgangsleistung

Von
Sandra Sauer
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Mülheim-Kärlich, 31. Mai 2023 – Kupferschweißen im Elektronikumfeld, Beschichten von Bremsscheiben und Windkraftanlagen-Bauteilen sowie Trocknen für die Batteriefertigung – diese Anwendungsgebiete stehen im Mittelpunkt des Laserline Messeauftritts auf der Laser World of Photonics 2023 (27. bis 30. Juni in München, Halle B3, Stand 305). Zu den Highlights gehört dabei die Vorstellung des ersten blauen Diodenlasers mit 4 kW CW-Ausgangsleistung. Er wurde vor allem für die Bearbeitung bzw. additive Fertigung von Kupferbauteilen konzipiert und repräsentiert die derzeit höchste Leistungsklasse von Industrielasern im blauen Wellenlängenspektrum. Wie alle blauen Laserline Diodenlaser agiert auch der 4 kW-Laser mit einer Wellenlänge von 445 nm, die von Kupferlegierungen fünfmal besser absorbiert wird als Infrarotstrahlung und dadurch ein nahezu perfektes Schmelzbad ohne Poren ausbildet. Die Leistungssteigerung ermöglicht sowohl im Schweißen als auch in der Additiven Fertigung noch einmal deutlich energieeffizientere und schnellere Abläufe. Zudem gehen mit der neuen Leistungsklasse fertigungstechnische Optimierungen einher, die es ermöglichen, die Produktionszahlen der Lasersysteme zu steigern und die Marktpreise dauerhaft zu senken, was den Einsatz blauer Laser zukünftig noch attraktiver macht. Dass sich überdies auch die Anwendungsmöglichkeiten kontinuierlich erweitern, zeigt neben dem 4 kW System ein neuer gepulster blauer 200W-Diodenlaser für Halbleiterapplikationen, der als Prototyp am Messestand zu sehen sein wird.

Zukunftsweisende Beschichtungsanwendungen mit upgrade-fähigen Infrarotlasern

Zweites Fokusthema des Laserline Messeauftritts sind laserbasierte Beschichtungs-Lösungen, insbesondere für rotationssymetrische Bauteile wie Bremsscheiben für Straßen- und Schienenfahrzeuge oder Gleitlagerbolzen für Planetengetriebe von Windkraftanlagen (WKA). Beide Techniken tragen wesentlich zum Umwelt- und Klimaschutz bei: Diodenlaserbasierte Antikorrosions- und Verschleißschutzbeschichtungen reduzieren die von Bremsscheiben und Bremsbelägen verursachten gesundheitsgefährdenden Feinstäube um bis zu 90 Prozent. Bei WKA-Gleitlagern ermöglichen Diodenlaser ressourcen- und werkstückschonende Beschichtungen mit hoher Standzeit, was den Rohstoffverbrauch senkt und die Lebensdauer der für die Energiewende elementaren Anlagen deutlich erhöht. Die in beiden Anwendungsbereichen eingesetzten, am Messestand ausgestellten Infrarotlaser der Laserline LDF Serie zeichnen sich durch ihre flexible Skalierbarkeit aus und lassen sich auch im Feld jederzeit aufrüsten. Nach erfolgreicher Prozessetablierung ist es dann beispielsweise problemlos möglich, ein Leistungsupgrade von 12 auf 24 kW vorzunehmen und dadurch die Geschwindigkeit des Beschichtungsprozesses in etwa zu verdoppeln.

Eine weitere Produktneuheit, die auf der Laser World of Photonics erstmals ausgestellt wird, ist ein 10 kW Diodenlaser der Baureihe LDM im 19“-Format. Insbesondere Integratoren können diese Bauform sehr einfach und vorteilhaft in bestehende Maschinenkonzepte für Schweiss- und Beschichtungsanwendungen implementieren. Beim neuen 19‘‘-Laser ist es Laserline zudem gelungen, eine bislang unerreichte Packungsdichte von 9,6 dm3/kW zu realisieren. Das bedeutet, dass für 1 kW Laserleistung weniger als 10 Liter Bauraum benötigt werden – und damit nur ein Drittel des Raums, den vergleichbare Faserlaser beanspruchen.

Laser Drying für die Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien

Abgerundet wird die Laserline Messepräsentation schließlich durch die Vorstellung eines diodenlaserbasierten Trocknungsverfahrens, das die emissionsarme und wirtschaftliche Serienfertigung von Lithium-Ionen-Batterien unterstützt. Es wurde unter Federführung von Laserline im Rahmen des IDEEL Projekts (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) entwickelt und macht erstmals eine Herstellung lasergetrockneter Anoden und Kathoden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren möglich. Der Diodenlaser mit seiner homogenen und präzisen Strahlformung ergänzt bzw. ersetzt hierbei das bis dato marktbeherrschende konvektive Trocknen und senkt den Gesamtenergiebedarf des Trocknungsprozesses um mehr als 25 Prozent. Verglichen mit herkömmlichen GigaFab-Trocknungsstrecken mit Anschlusswerten von über 1000 kW ermöglicht das neue Verfahren dadurch letztlich eine signifikante Reduktion der prozessbedingten CO2-Emissionen.

Weitere Informationen zu den Produkten von Laserline finden Interessenten unter: https://www.laserline.com/de-int/

Battery Show 2023: Laserline zeigt energieeffiziente Anwendungen für E-Mobility

Von
Julia Klingauf
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Mülheim-Kärlich, 06. April 2023 – Diodenlaserspezialist Laserline präsentiert auf der Battery Show 2023 (23. bis 25. Mai in Stuttgart, Halle 8, Stand E81) sein Lösungsportfolio für die wirtschaftliche Serienfertigung von Batterien, Elektromotoren und Bremsscheibenbeschichtungen. Zu den Highlights des Messeauftritts gehört der weltweit erste blaue Diodenlaser mit 3 kW CW-Ausgangsleistung, der insbesondere für die Bearbeitung von Kupferbauteilen – etwa in der elektrischen Antriebstechnik oder der Leistungselektronik – entwickelt wurde. Er repräsentiert die gegenwärtig höchste Leistungsklasse von Industrielasern im blauen Wellenlängenspektrum um 445 nm, das von Buntmetallen deutlich besser absorbiert wird als Infrarotstrahlung. Blaue Laser ermöglichen unter anderem ein oberflächennahes Wärmeleitschweißen dünner Kupferbauteile und bieten gegenüber konkurrierenden Ansätzen mit grünem Laserlicht zwei entscheidende Vorteile: Zum einen erübrigt die direkte Lichterzeugung mittels Laserdioden eine komplexe und effizienzmindernde Frequenzkonversion. Zum anderen sind die Lasersysteme deutlich platzsparender, was eine unkomplizierte Anlagenintegration ermöglicht. Bis zu CW-Ausgangsleistungen von 2 kW sind die blauen Laser sogar im kompakten 19“-Design erhältlich und dadurch besonders leicht integrierbar.

Weiterer Schwerpunkt des Messeauftritts ist ein Lasertrocknungsverfahren zur emissionsarmen und wirtschaftlichen Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien. Es wurde im Rahmen des IDEEL Forschungsprojektes (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) unter Führung von Laserline entwickelt und ermöglicht erstmals die Herstellung lasergetrockneter Anoden und Kathoden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Der Diodenlaser ergänzt oder ersetzt dabei das marktbeherrschende konvektive Trocknen und senkt den Gesamtenergiebedarf der Trocknung um mehr als 25 Prozent, bei gleichzeitiger Verringerung der benötigten Produktionsfläche. In Anbetracht von Anschlusswerten von über 1.000 KW bei einer herkömmlichen GigaFab-Trocknungsstrecke, ist das eine Energiewende im Produktionsprozess, die signifikante CO2-Einsparungen ermöglicht.

Darüber hinaus präsentiert Laserline ein serientaugliches Hochgeschwindigkeitsverfahren zur kostengünstigen Hartstoffbeschichtung von Bremsscheiben. Es ermöglicht den Aufbau sehr dünner und dennoch widerstandsfähiger Beschichtungen, die langfristigen Korrosions- und Abrasionsschutz kombinieren und so die bremsprozessinduzierte Menge umwelt- und gesundheitsgefährdender Feinstäube mit Partikelgröße von maximal 10 Mikrometer (PM10) um bis zu 90 Prozent reduzieren. Damit lassen sich auch die Vorgaben der KFZ-Emissionsnorm Euro 7 einhalten, die 2025 in Kraft treten soll und erstmals konkrete Grenzwerte für die Partikelemissionen von Bremssystemen festlegt.

Als weiteres Highlight zeigt Laserline diodenlaserbasierte Schweißlösungen zum Verschließen von Batteriekästen. Vorgestellt wird in diesem Bereich sowohl eine Applikation mit Heißdraht als auch eine Anwendung mit Spot-in-Spot-Moduloptik, bei der ein eng fokussierter Innenspot durch einen größeren Rechteckspot überlagert wird. Beide Ansätze überzeugen gegenüber herkömmlichen Verfahren wie dem MSG- oder MIG-Schweißen durch höhere Prozessgeschwindigkeiten, eine verbesserte Spaltüberbrückbarkeit und haltbare Schweißnähte von hervorragender Güte.

 

Bremsstaubreduktion gemäß Euro 7: Mit diodenlaserbasierten Bremsscheibenbeschichtungen alle Vorgaben erfüllen

Von
Michael Beyrau
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Mülheim-Kärlich, 07. März 2023 – Als eine der größten Gesundheitsgefahren im urbanen Raum gelten die Feinstaubemissionen des Straßenverkehrs. Sie stehen im Verdacht sowohl Allergien als auch Atemwegs-, Krebs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu verursachen. Die emittierten Partikel gehen dabei keineswegs nur auf Verbrennungsmotoren, sondern zu rund einem Viertel auch auf den Abrieb von Bremsen zurück. Im Entwurf der KFZ-Emissionsnorm Euro 7, die 2025 in Kraft treten soll, trägt die EU-Kommission dieser Tatsache Rechnung und legt erstmals konkrete Grenzwerte für die Partikelemissionen von Bremssystemen fest. Sie gelten ausnahmslos auch für Elektrofahrzeuge, die dadurch erstmals von den EU-Regularien zur Schadstoffemission von Kraftfahrzeugen betroffen sind. Automobilhersteller stehen damit vor der Herausforderung, die Partikelemissionen von Bremssystemen deutlich zu verringern.

Eine der effektivsten Maßnahmen zur Reduktion der Bremsstaubemissionen besteht darin, KFZ-Bremsscheiben mit diodenlaserbasierten Hartstoffbeschichtungen zu versehen, die langfristigen Abrasions- und Korrosionsschutz bieten. Die bremsprozessinduzierte Menge gesundheitsgefährdender Feinstäube mit Partikelgröße von maximal 10 Mikrometer (PM10) lässt sich dadurch um bis zu 90 Prozent reduzieren. Die Emissionsvorgaben der Euro 7, die voraussichtlich bei sieben Milligramm Feinstaub je Kilometer liegen werden, lassen sich damit sicher einhalten. Für die Realisierung solcher Beschichtungen muss der marktübliche Graugusswerkstoff der Bremsscheiben ebenso wenig angepasst werden wie die klassischen Produktionsverfahren. Der Beschichtungsauftrag erfolgt nach Fertigstellung der eigentlichen Bremsscheibe und stellt nur einen ergänzenden Produktionsschritt dar.

Diodenlaserspezialist Laserline hat den Prozessaufbau dieses Verfahrens gemeinsam mit seinen Technologiepartnern zur Serienreife ausentwickelt und dabei nicht zuletzt auch die Integrationsfähigkeit in Industrie 4.0-Produktionsumgebungen sichergestellt. Unter Einsatz von Diodenlasern mit OPC UA-Schnittstellen und bis zu 22 kW Ausgangsleistung werden pulverbasierte High-Speed-Beschichtungsprozesse realisiert, bei denen pro Bremsscheibe teilweise ein Prozesszeitraum von unter einer Minute zu veranschlagen ist. Das ermöglicht eine Massenfertigung, die das Beschichten von Bremsscheiben für alle KFZ-Marktsegmente erschwinglich macht. Durch flexiblen Einsatz der Beschichtungsswerkstoffe lassen sich beispielsweise selbst für Fahrzeuge im mittleren und unteren Segment sehr wirkungsvolle und gleichzeitig kostengünstige Beschichtungen verwirklichen. Darüber hinaus beeinflusst auch die Systemkonfiguration den Preis. So erhöht sich mit zunehmender Laserleistung der Durchsatz, was die Anzahl erforderlicher Beschichtungsanlagen reduziert, Produktionsfläche spart und so letztlich das relative Investment pro Scheibe deutlich verringert.

Nähere technische Informationen zur Euro 7-konformen Bremsscheibenbeschichtung auf Diodenlaserbasis sind unter https://www.laserline.com/de-int/die-bremse-fuer-weniger-feinstaub/ verfügbar. Dort steht unter anderem auch ein Whitepaper zum Download bereit, das detaillierte Informationen über den Beschichtungsprozess und die hierbei verwendeten Werkstoffe liefert. Darüber hinaus finden Interessenten dort auch Prozess- und Erklärvideos sowie zahlreiche weiterführende Infos zur Laserline Diodenlasertechnologie.

IDEEL-Projekt: Erstmals Herstellung lasergetrockneter Anoden und LFP-Kathoden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren gelungen

Von
Sandra Sauer
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Mühlheim-Kärlich, 11. Januar 2023 – Im Rahmen des IDEEL Forschungsprojektes (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) unter Führung der Laserline GmbH ist erstmals die Herstellung lasergetrockneter Anoden und LFP-Kathoden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren gelungen. Basierend auf  industrierelevanten Elektrodenpasten konnte das PEM (Production Engineering of E-Mobility Components) eine Prozessierbarkeit wässriger LFP-Kathoden und Anoden in der Prototypenanlage am eLab der RWTH Aachen nachweisen. In Kooperation mit dem MEET (Münster Electrochemical Energy Technology Batterieforschungszentrum) konnten die Qualitätseigenschaften evaluiert und optimierte Elektrodenpasten entwickelt werden. Für die Demonstrationsversuche wurde ein Laserline Hochleistungsdiodenlaser mit Zoomoptik in der dortigen Folienbeschichtungsanlage integriert, um einen homogenen Laserspot zur Trocknung des Aktivmaterials zu erzeugen. Die Temperaturverteilung auf der Elektrode wurde mittels einer Thermografiekamera der Optris GmbH überwacht. Der Proof-of-Concept erfolgte bei einer Bahngeschwindigkeit von 1,3 m/min, wobei sowohl eine reine Lasertrocknung als auch eine hybride Trocknung mit Laser und nachgeschaltetem Konvektionsofen erfolgreich demonstriert werden konnten.

Ersten Ergebnissen zufolge senkt der innovative Fertigungsprozess bei einer reinen Lasertrocknung den Energieverbrauch in der Elektrodenfertigung um bis zu 85 Prozent. Die Untersuchung des Hybridprozesses ergab zudem, dass im Vergleich zur reinen Konvektionstrocknung durch Hinzufügen einer Laserstation eine Verdopplung der Trocknungsgeschwindigkeit erreicht werden konnte. Insgesamt lässt sich so die Batterieproduktion kostengünstiger und nachhaltiger gestalten. Vergleichende Benchmark-Analysen der Qualitätseigenschaften (Restfeuchte des Aktivmaterials, Adhäsion der Beschichtung auf der Trägerfolie) konvektions- und lasergetrockneter Elektroden bestätigten diese Produktivitätssteigerung. Die bisherigen Projektergebnisse demonstrieren, dass der Verfahrensansatz nicht nur für Neuanlagen geeignet ist, sondern auch, dass bestehende Konvektionsöfen sich mit einer entsprechenden Lasertrocknungstechnik nachrüsten lassen.

Im weiteren Projektverlauf ist die Skalierung der Bahngeschwindigkeit auf 10 m/min (Fraunhofer ILT) und zum Projektende auf 30 m/min (Coatema Coating Machinery GmbH) geplant. Dazu entwickelt Laserline derzeit Optiken zur Erzeugung eines großflächigen Laserspots. Erste Forschungsergebnisse weisen zudem darauf hin, dass perspektivisch eine Reduzierung der Anlagengröße um Faktor 10 möglich sein wird.

 

IDEEL-Projekt

Das IDEEL-Projekt (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) ist eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Förderprogramms Batterie 2020 unterstützte Forschungskooperation unter Führung der Laserline GmbH. Die weiteren Projektpartner sind im Einzelnen: Die Coatema Coating Machinery GmbH und Optris GmbH sowie das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) Münster, das Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) Batterieforschungszentrum der WWU Münster und das Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen. Ziel des auf drei Jahre angelegten Projektes ist es, ein industrierelevantes Lasertrocknungsverfahren zu entwickeln, das eine klimafreundlichere und zugleich wirtschaftlichere Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht.

Entwickelt werden zunächst eine neue, für den Lasereinsatz optimierte Elektrodenpaste als Beschichtungswerkstoff (PEM RWTH, MEET WWU), ein hocheffizientes Lasersystem mit großflächigem, homogenem Spot (Laserline) sowie eine hochintegrative Thermografiekamera zur kontaktlosen Prozessüberwachung (Optris, Laserline, Fraunhofer ILT). Darauf aufbauend soll der laserbasierte Trocknungsprozess innerhalb eines Demonstrators (Coatema) auf industrietypische Vorschubgeschwindigkeiten hochskaliert und abschließend das physikalische Modell des neuen Trocknungsprozesses validiert werden (ILT, FFB).

Die Forschungsergebnisse sollen künftig in die Prozesse der FFB einfließen. Die FFB gilt als eines der Leuchtturmprojekte der deutschen Batterieforschung und soll zum Entwicklungszentrum einer modernen Batteriezellproduktion für Deutschland und seine europäischen Partner ausgebaut werden. Ziel ist es, die Abhängigkeit der deutschen bzw. europäischen Produzenten vom Weltmarkt zu verringern. Am Standort Münster entsteht deshalb aktuell eine komplette Fertigungsinfrastruktur, mit deren Hilfe Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Serienproduktion neuer Batterien erproben und optimieren können.

 

Lasertrocknen im Kontext der Batteriefertigung

Der Trocknungsprozess, den das IDEEL-Projekt adressiert, ist Teil der Elektrodenherstellung für High-Power-Batteriezellen, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Heimspeichersystemen zum Einsatz kommen. Er dient dem Trocknen einer Elektrodenpaste (Slurry), die aus einer gezielt abgestimmten, homogenen Aktivmaterialmischung besteht und auf die Kupferfolie der Batterieelektrode aufgetragen wird. Für die Wärmetrocknung dieser Elektrodenbeschichtung werden bisher Konvektionstrockner eingesetzt, die ihre Wärmeenergie jedoch nur indirekt in das Material eintragen und somit die CO2-Bilanz und die Energiekosten der Batterieproduktion stark belasten. Die IDEEL-Projektpartner setzen deshalb auf die Hochskalierung eines energieeffizienteren Trocknungsverfahrens, bei dem die Beschichtung mit Hilfe von Hochleistungsdiodenlasern bestrahlt wird. Das Verfahren profitiert von der guten Absorption des infraroten Laserlichts im Beschichtungsmaterial, ermöglicht im Vergleich zur gängigen Konvektionstechnologie eine flexiblere und präzisere Prozessregelung und zielt im Projekt auf die Demonstration von Bahngeschwindigkeiten von bis zu 30 Metern pro Minute ab. Durch die kompakte Bauweise und den effizienten Energieübergang sollen die flächenintensiven Trocknungsstrecken von üblicherweise mehr als 100 Metern Länge signifikant verkürzt werden. Dadurch soll die geplante Anlage den Platzbedarf innerhalb der Produktionsumgebung wesentlich reduzieren und eine schnellere und energieeffizientere Prozessführung möglich machen.

 

formnext 2022: Laserline zeigt diodenlaserbasierte Lösungen für Cladding und Additive Manufacturing

Von
Michael Beyrau
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Mülheim-Kärlich, 27. Oktober 2022 – Laserline stellt auf der diesjährigen formnext (15. bis 18. November in Frankfurt/M.) diodenlaserbasierte Lösungen für Cladding und Additive Manufacturing vor. Der Fokus liegt zum einen auf der Beschichtung und additiven Fertigung von Metallbauteilen mit blauen Lasern, die sowohl bei hochreflexiven Buntmetallen als auch bei zahlreichen anderen Metalltypen hervorragende Prozessresultate ermöglichen. Zweites Fokusthema sind Hartstoffbeschichtungen, die zur Reduktion von Feinstaub beitragen und in einem High-Speed-Verfahren unter Einsatz infraroter Diodenlaser auf Bremsscheiben von Straßen- und Schienenfahrzeugen aufgetragen werden. Interessierte finden Laserline in Halle 12.0, Stand B19.

Als innovative Laserlösung für Beschichtungs- und additive Fertigungsprozesse präsentiert Laserline in Frankfurt/M. den LDFblue 3000-30. Als weltweit ersten blauen Diodenlaser mit 3 kW CW-Ausgangsleistung stellt er den nächsten Meilenstein in der Entwicklung der Laserline blue Lasersysteme dar. Ursprünglich vor allem für die Bearbeitung von Kupfer entwickelt (das blaues Laserlicht weit besser absorbiert als Infrarotstrahlung), haben die Systeme dieser Serie längst auch andere Bereiche der Metallbearbeitung erobert und sich zum Beispiel in der industriellen Verarbeitung von Eisen, Kobalt oder Nickel durch hohe Prozesseffizienz und überaus ruhige Schmelzbäder bewährt. Im Beschichtungsbereich werden überaus widerstandsfähige metallurgische Verbindungen zwischen Beschichtungs- und Grundwerkstoff, in der Additiven Fertigung hochstabile und präzise gearbeitete Bauteile erzeugt. Die Steigerung der Ausgangsleistung auf 3 kW (bei 30mm·mrad Strahlqualität und ~445 nm Wellenlänge) erweitert das Spektrum möglicher Anwendungen noch einmal zusätzlich und erschließt auch im Kupferbereich neue Optionen – können jetzt doch erstmals reine Kupfer und nicht nur Kupferliegerungen verarbeitet werden. Neben dem 3 kW-Laser stellt Laserline auf der Messe auch die kompakten LDMblue-Systeme vor, die bis zu 2 kW Laserleistung bieten und als 19‘‘-Einschübe mit 5 bzw. 7 Höheneinheiten (HE) eine besonders einfache Anlagenintegration ermöglichen.

Thematisch hochaktuell ist auch das pulverbasierte Hochgeschwindigkeitsverfahren zur Hartstoffbeschichtung von Bremsscheiben, das Laserline als zweiten Messeschwerpunkt fokussiert. Es zielt auf die Reduktion der urbanen Feinstaubbelastung und ermöglicht den Aufbau sehr dünner und dennoch hochgradig widerstandsfähiger Beschichtungen von Bremsscheiben für KFZ, Busse, LKW oder Schienenfahrzeuge. Realisiert unter Einsatz infraroter Diodenlaser, verbinden die Beschichtungen Abrasions- und Korrosionsschutz und senken die Feinstaubentwicklung. Wie üblich stellt Laserline seine Systemlösungen am Messestand auch mithilfe von Videos und animierten Darstellungen vor. Die Ergebnisse der jeweiligen Materialbearbeitungen werden durch verschiedene Bauteilmuster demonstriert.

Laserline auf der EuroBLECH 2022: Neue Lösungen für Aluminium- und Kupferschweißen

Von
Michael Beyrau
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Mülheim-Kärlich, 22. September 2022 – Diodenlaserspezialist Laserline präsentiert auf der EuroBLECH 2022 (25. bis 28. Oktober in Hannover, Halle 26, Stand J52) neue Lösungen für die Bearbeitung von Aluminium-, Kupfer- und Stahlbauteilen. Zu den Highlights gehört eine von Lincoln Electric entwickelte Verfahrenslösung zum Aluminiumschweißen mit Heißdraht (Hot Wire Aluminium Welding). Sie bietet eine deutlich größere Prozessstabilität als konventionelle Aluminiumfügeverfahren und punktet durch reduzierten Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff sowie hohe Prozessgeschwindigkeit bei hohen Nahtgüten. Die Erhitzung des Drahts im Vorfeld des Schweißprozesses, die durch joulesche Erwärmung realisiert wird, ermöglicht einen effizienteren und gezielteren Einsatz der Laserenergie und optimiert so die Wirtschaftlichkeit der Applikation. Neben klassischen Fügeprozessen ist das Verfahren auch für Auftragschweißanwendungen interessant.

Für die industriell immer bedeutsamere Bearbeitung von Kupferbauteilen – sei es etwa in der elektrischen Antriebstechnik, in der Elektronik oder im Additive Manufacturing – stellt Laserline den weltweit ersten blauen Diodenlaser mit 3 kW CW-Ausgangsleistung vor. Er repräsentiert die gegenwärtig höchste Leistungsklasse von Industrielasern im blauen Wellenlängenspektrum, welches von Kupfer weit besser absorbiert wird als Infrarotstrahlung. Die Leistungssteigerung auf 3 kW bei 30mm·mrad Strahlqualität und ~445 nm Wellenlänge ermöglicht die Bearbeitung größerer Querschnitte sowie schnellere Schweißprozesse mit geringerem Wärmeeintrag. Beim Fügen von Blechen lässt sich die gängige Einschweißtiefe, beim Fügen von Hairpins der bisher mögliche Querschnitt verdoppeln. In der Antriebstechnik kommen blaue Diodenlaser dadurch auch für die Fertigung von größeren Elektromotoren, im Additive Manufacturing für den Aufbau großer und massiver Bauteile aus Kupfer und Kupferlegierungen in Frage.

Dritter Schwerpunkt des Laserline Messeauftritts sind pulverbasierte Cladding-Lösungen zur Realisierung von Korrosions- und Verschleißbeschichtungen, darunter ein serientaugliches Hochgeschwindigkeitsverfahren zur Hartstoffbeschichtung von Bremsscheiben. Es ermöglicht den Aufbau sehr dünner und dennoch widerstandsfähiger Beschichtungen, die Korrosions- und Abrasionsschutz kombinieren und die Bremsstaubentwicklung um bis zu 90 Prozent reduzieren – ein wichtiger Beitrag zur Minderung der gesundheitskritischen urbanen Feinstaubbelastung. Alle Lösungsansätze werden am Messestand auch durch Bauteilmuster sowie Videos und animierte Darstellungen nähergebracht.

Laser World of Photonics 2022: Laserline zeigt weltweit ersten blauen Diodenlaser mit 3 kW CW-Ausgangsleistung

Von
Michael Beyrau
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Mülheim-Kärlich, 11. April 2022 – Laserline stellt auf der Laser World of Photonics 2022 (26. bis 29. April in München) den weltweit ersten blauen Diodenlaser mit 3 kW CW-Ausgangsleistung vor. Konzipiert insbesondere für Schweißen, Beschichten und Additive Manufacturing von Kupferbauteilen, markiert er einen weiteren Meilenstein in der Leistungsentwicklung blauer Hochleistungsdiodenlaser. Zweites Schwerpunktthema des Messeauftritts ist eine neue High Power Cladding Lösung auf Basis eines 45 kW IR-Diodenlasers. Sie wurde in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS entwickelt und soll die industrielle Beschichtung verschleiß- sowie korrosionsgefährdeter Bauteile optimieren.

Effektivere und energieeffizientere Kupferbearbeitung durch blauen 3 kW Diodenlaser

Nachdem Laserline 2019 den weltweit ersten blauen CW-Diodenlaser mit bis zu 1 kW CW-Ausgangsleistung präsentieren und die Leistung schon ein Jahr später auf 2 kW steigern konnte, verkörpert der in München gezeigte blaue 3 kW Diodenlaser die bis dato höchste Leistungsklasse von Industrielasern im blauen Wellenlängenspektrum. Der neue Laser agiert wie schon die 1 und 2 kW Laserline Diodenlaser mit einer Wellenlänge um 445 nm. Dieser Spektralbereich wird von Buntmetallen wie Kupfer und Gold deutlich besser absorbiert als Infrarotstrahlung, was unter anderem ein oberflächennahes Wärmeleitschweißen dünner Kupferbauteile sowie insgesamt energieeffizientere und klimafreundlichere Bearbeitungsprozesse ermöglicht. Die Steigerung der CW-Ausgangsleistung auf 3 kW erschließt jetzt zusätzliche Anwendungsoptionen. Bei Füge- und Beschichtungsprozessen lassen sich weit schnellere Schweißungen und höhere Auftragsraten erreichen, beim Tiefschweißen elektrischer Leiter wie beispielsweise Kupfer-Hairpins können bei moderatem Wärmeeintrag auch größere Querschnitte allein mit blauen Lasern bewältigt werden. Wo weiterhin hybride Fügelösungen mit blauen und infraroten Lasern erforderlich sind, wird weniger Infrarotenergie benötigt als in der Vergangenheit, was Betriebskosten und CO2-Bilanz der Anwendungen spürbar optimiert. Darüber hinaus wird durch die neue Laserleistungsklasse eine effizientere Additive Fertigung großer und volumenreicher Kupferbauteile möglich. Am Laserline Stand werden diese neuen Anwendungsmöglichkeiten ausführlich erläutert und durch verschiedene Schweiß- und Beschichtungsmuster demonstriert.

Cladding mit bis zu 45 kW Laserleistung: höhere Auftragsraten – größere Stückzahlen

Die präsentierte High Power Cladding Lösung stellt die nächste Ausbaustufe eines Auftragschweißverfahrens dar, das vom Fraunhofer IWS bereits erfolgreich unter Einsatz von Laserline IR-Diodenlasern mit 20 kW Ausgangsleistung umgesetzt wurde und das zum Teil sogar die Auftragsraten im PTA-Cladding (Plasma Transferred Arc) übertrifft. Als erstes Verfahren seiner Art ermöglicht es eine serientaugliche und kostengünstige Realisierung von Verschleiß- und Korrosionsschutzbeschichtungen bei Großbauteilen wie etwa Kraftwerkskomponenten, aber auch bei Bremsscheiben, Hydraulikzylindern oder Gleitlagern. Der Einstieg in die Nutzung einer höheren Diodenlaser-Leistungsklasse mit bis zu 45 kW Ausgangsleistung steigert die Effizienz und Produktivität des Verfahrens zusätzlich und macht bei reduzierten Prozesskosten höhere Auftragsraten möglich. Die Lösung und ihre Pluspunkte werden am Messestand durch einen 45 kW IR-Diodenlaser, Videos und animierte Darstellungen pulverbasierter Laserauftragschweißprozesse sowie Muster beschichteter Bauteile verständlich gemacht.

Interessenten finden Laserline in Halle A5, Stand 305. Nähere Informationen zur High Power Cladding Lösung und ihren Systemvoraussetzungen bietet auch das Fraunhofer IWS  am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle A6, Stand 441.

Lasertrocknen der Elektrodenbeschichtung in Lithium-Ionen-Batterien: Forschungsprojekt IDEEL soll Verfahren erstmals auf industrielle Produktionsgeschwindigkeiten hochskalieren

Von
Michael Beyrau
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Mülheim-Kärlich, 23. November 2021 – Ein industrierelevantes Lasertrocknungsverfahren zu entwickeln, das eine klimafreundlichere und wirtschaftlichere Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien unterstützt: Mit diesem Ziel wurde am 22. Oktober 2021 das öffentlich geförderte Forschungsprojekt IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) ins Leben gerufen. Das Projekt ist auf eine Laufzeit von drei Jahren ausgelegt und wird in den Aufbau einer exemplarischen Lasertrocknungsanlage münden, die eine serienfertigungsnahe Trocknung der Elektrodenbeschichtung in Hochleistungsbatterien demonstriert. Die geplante Anlage wird weniger Produktionsfläche beanspruchen und zudem schneller und energieeffizienter agieren als herkömmliche Trocknungstechnologien*. Projektpartner sind im Einzelnen:

  • Laserline GmbH
  • Coatema Coating Machinery GmbH
  • Optris GmbH
  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)
  • Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT)
  • Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) Batterieforschungszentrum der WWU Münster
  • Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen

Innerhalb des IDEEL-Vorhabens verfolgen die Projektpartner mehrere Teilziele. Entwickelt werden im ersten Schritt eine neue, für den Lasereinsatz optimierte Elektrodenpaste als Beschichtungswerkstoff (PEM RWTH, MEET WWU), ein hocheffizientes Lasersystem mit großflächigem, homogenem Spot (Laserline) sowie eine hochintegrative, auf kontaktloser Temperaturmessung basierende Prozessüberwachung (Optris, Laserline, Fraunhofer ILT). Darauf aufbauend soll der laserbasierte Trocknungsprozess innerhalb eines Demonstrators (Coatema) auf industrietypische Vorschubgeschwindigkeiten hochskaliert und abschließend das physikalische Modell des neuen Trocknungsprozesses validiert werden (ILT, FFB). Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative Batterie 2020 unterstützt.

Die Ergebnisse des IDEEL-Projekts sollen künftig in die Prozesse der Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) einfließen, die das Projekt konzipierend und beratend begleitet. Die FFB gilt als eines der Leuchtturmprojekte der deutschen Batterieforschung und soll nach dem Willen ihrer Betreiber und Förderer zum Entwicklungszentrum einer modernen Batteriezellproduktion für Deutschland und seine europäischen Partner ausgebaut werden. Am Standort Münster entsteht deshalb aktuell eine komplette Fertigungsinfrastruktur, mit deren Hilfe Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Serienproduktion neuer Batterien erproben und optimieren können. Ziel ist es, eine effiziente, günstige, qualitativ hochwertige Batteriefertigung zu ermöglichen, welche die Abhängigkeit der deutschen bzw. europäischen Produzenten vom Weltmarkt signifikant und dauerhaft verringert. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Land Nordrhein-Westfalen fördern den Aufbau dieser Forschungsfertigung mit einer Summe von bis zu 680 Millionen Euro.

 

*Lasertrocknen im Kontext der Batteriefertigung

Der Trocknungsprozess, den das IDEEL-Projekt adressiert, ist Teil der Elektrodenherstellung für High-Power-Batteriezellen, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Heimspeichersystemen zum Einsatz kommen. Er dient dem Trocknen einer Elektrodenpaste (Slurry), die aus einer gezielt abgestimmten, homogenen Aktivmaterialmischung besteht und auf die Kupferfolie der Batterieelektrode aufgetragen wird. Für die Wärmetrocknung dieser Elektrodenbeschichtung werden bisher Konvektionstrockner eingesetzt, die ihre Wärmeenergie jedoch nur indirekt in das Material eintragen und somit die CO2-Bilanz und die Energiekosten der Batterieproduktion stark belasten. Die IDEEL-Projektpartner setzen deshalb auf die Hochskalierung eines energieeffizienteren Trocknungsverfahrens, bei dem die Beschichtung mit Hilfe von Hochleistungsdiodenlasern bestrahlt wird. Das Verfahren profitiert von der guten Absorption des infraroten Laserlichts im Beschichtungsmaterial, ermöglicht im Vergleich zur gängigen Konvektionstechnologie eine flexiblere und präzisere Prozessregelung und zielt im Projekt auf die Demonstration von Bahngeschwindigkeiten von bis zu 30 Metern pro Minute ab. Durch die kompakte Bauweise und den effizienten Energieübergang sollen die flächenintensiven Trocknungsstrecken von üblicherweise mehr als 100 Metern Länge signifikant verkürzt werden. Dadurch soll die geplante Anlage den Platzbedarf innerhalb der Produktionsumgebung wesentlich reduzieren und eine schnellere und energieeffizientere Prozessführung möglich machen.

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