Lasertechnologien treiben Mobilität und Energieerzeugung voran

München. Laserbasierte Produktionsprozesse können erheblich zur Ressourcenschonung beitragen. Mit ihnen lässt sich beispielsweise die Effizienz der regenerativen Energieerzeugung per Photovoltaik steigern. Auch im Leichtbau sowie in der Fertigung von Antriebsbatterien und Elektromotoren bieten Laserverfahren großes Potenzial. Diese Themen werden bei der Weltleitmesse LASER World of PHOTONICS 2013 vom 13. bis 16. Mai und dem World of Photonics Congress vom 12. bis 16. Mai 2013 auf dem Gelände der Messe München mit neuen Produktentwicklungen, Anwendungsbeispielen und Vorträgen aufgegriffen.

 

Sonderthemen

Welche bedeutende Rolle Laser für Photovoltaik und umweltschonende Mobilität spielen, verdeutlicht die Sonderschau „Photons in Production“ (Halle C2.621). Gezeigt werden dort etwa: laserbasiertes Fügen von Leichtbauwerkstoffen, Fügen von faserverstärkten Kunststoffen mit Metallen, Kunststoffverbindungen, Fügen und Trennen von CFK-Bauteilen oder die Produktion einer Pkw-Antriebsbatterie. Das Thema Laser und Energie beleuchten auch die Anwenderforen (Halle C2) „Photovoltaik und Laser“ (13. Mai, 11 bis 13 Uhr) sowie „Photons in Production: Smart bricks for e-mobility“ (15. Mai, 14 bis 17 Uhr). Ebenfalls diskutiert werden Anwendungen der Photonik im Energiebereich bei der Conference on Optofluidics (EOSOF 2013) im Rahmen des World of Photonics Congress im International Conference Center München ICM.

 

Laserverfahren für Leichtbau

Autofahren mit regenerativ erzeugtem Strom gilt als die Mobilität der Zukunft. Hier können Laserverfahren den Leichtbau sowie die Produktion von Antriebsbatterien und Elektromotoren optimieren. Das Leichtbaupotenzial der Laserprozesse liegt vor allem in der verbesserten Bearbeitung moderner, anspruchsvoller Materialien. Beispielsweise beim Schneiden von carbonfaserverstärken Kunststoffen (CFK), die aktuell die Königsklasse der Leichtbaumaterialien darstellen. Sie mechanisch zu schneiden, ist aufwendig, weil der Werkzeugverschleiß sehr hoch ist. An welchen Laserverfahren und Anwendungsprozesse die Forschung derzeit in diesem Bereich arbeitet, wird auf der Konferenz „Lasers in Manufacturing – LiM 2013“ – umfassend diskutiert: Aktuelle Aspekte sind hier z.B. das Laserschneiden von Carbonfasern und Composites oder der Einsatz von Lasern in der Leichtmetall- oder Verbundwerkstoffbearbeitung.

 

Verbundwerkstoffe schonend schneiden

„Verschleißfrei arbeitende Nanosekundenlaser mit hoher mittlerer Leistung können sich mit geringster Belastung im Randbereich und geringer Wärmeableitung durch die Carbonfasern arbeiten“, erläutert Dr. Uwe Stute, Abteilungsleiter Produktions- und Systemtechnik am Laserzentrum Hannover (LZH). Unter anderem das Schneiden mit Nanosekunden-Lasern oder mit kontinuierlich strahlenden Lasern und spezieller Prozessführung untersucht auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), erläutert Dr. Arnold Gillner, Abteilungsleiter Abtragen und Fügen bei dem Institut. So kann das Material geschnitten werden, ohne dass es an den Kanten verbrennt oder delaminiert.

 

Auch beim Fügen von Kunststoffen untereinander oder den immer wichtiger werdenden Mischverbindungen kommen Laser zum Einsatz. Metalle und thermoplastische Kunststoffe lassen sich beispielsweise ohne mechanische Verbindungselemente und ohne Klebstoff verbinden, indem man zuerst per Laser in der Metalloberfläche Mikrostrukturen mit Hinterschnitten erzeugt, erläutert Dr. Gillner. Anschließend wird die Oberfläche des Kunststoffteils per Laser aufgeschmolzen und das Teil auf das Metall gepresst. Der Kunststoff fließt dann in alle Vertiefungen, die auf der Metalloberfläche geschaffen wurden. Die beiden Bauteile „verhaken“ sich gewissermaßen und es entsteht eine formschlüssige Verbindung.

 

Kunststoffe und Metalle Kleben ohne Klebstoff

Diesen Ansatz nutzen auch Forscher des Laserzentrums Bayern und des Unternehmens CrossLink Faserverbundtechnik aus Cadolzburg mit ihrem Verfahren zum laserbasierten Schmelzkleben, das sowohl unterschiedliche – auch faserverstärkte – Kunststoffe untereinander als auch Kunststoffe und Leichtmetalle verbinden kann.

 

In der Fertigung von Antriebsbatterien und Elektromotoren kann das Laserschweißen vor allem die Verbindung von Kupferleitern untereinander oder mit den auch eingesetzten Aluminiumverbindern verbessern. So schickt sich das Laserschweißen an, bei der Verschaltung von Zellen zu größeren Einheiten das Ultraschall- und das Widerstandsschweißen abzulösen. Denn hier, bei der Verbindung von Aluminium und Kupfer liefert der Laser bessere Qualität, wie Dr. Gillner erläutert. Schon im Einsatz sei das Laserschweißen beim Verschweißen der 1 bis 3 mm dicken Kupferkontakte der Anschlussterminals untereinander.

 

Auch für die vollautomatische Produktion von Elektromotoren ist das Laserstrahlschweißen beim Fügen von Kupferleitern eine vielversprechende Alternative zu den klassischen Methoden wie Crimpen, Lichtbogen-, Ultraschall- oder Elektronenstrahlschweißen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit und der geringe Absorptionsgrad stellen hier allerdings eine Hürde dar. Aktuelle Untersuchungen am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München zeigen, dass vor allem Infrarotlaser mit hoher Leistung ausreichende Einschweißtiefen und eine zügige Produktion ermöglichen.

 

Lasereinsatz für Solar- und Windenergie

In der Photovoltaik sind Laser in der Fertigung von anorganischen Dünnschichtmodulen Stand der Technik, erläutert Uwe Stute vom LZH. Neu sei der Lasereinsatz bei organischen Modulen und bei CIGS-Zellen, da diese Materialien wärmeempfindlich sind. Hier können Ultrakurzpulslaser eingesetzt werden, da sie eine geringe thermische Belastung einbringen.

 

Auch die Wirkungsgrade von Solarzellen lassen sich durch Lasereinsatz erhöhen. Rofin beispielsweise gibt für seine Selective-Emitter-Technologie ein Potenzial zur Effizienzsteigerung von 0,3 bis 0,5 Prozent an. Bei diesem laserinduzierten Diffusionsprozess wird die phosphorhaltige Glasschicht an der Oberfläche genutzt, um gezielt bestimmte Bereiche der Zelle stärker mit Phosphor zu dotieren. Dr. Arnold Gillner vom Fraunhofer-ILT nennt weitere Ansätze. Wenn beispielsweise der Wechsel zu rückseitenkontaktierten Zellen erfolge, könnte der selektive Abtrag von Passivierungsschichten per Laser zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung führen.

 

Auch die Effizienz der Windstromerzeugung kann der Laser steigern. Ein auf dem Anlagenkopf montiertes Lidar-System kann den Wind schon in 50 bis 150 Meter Entfernung vor dem Rotor messen. So weiß die Anlagensteuerung, welcher Wind mehrere Sekunden später auf den Rotor treffen wird und kann Kopf und Rotor optimal darauf einstellen.