Photonisch in die Zukunft der Mobilität

• Laserverfahren als Enabler für E-Mobility und autonomes Fahren
• Führende Anbieter auf der LASER World of PHOTONICS 2022
• Ausgefeiltes Schutz- und Hygienekonzept ermöglicht Präsenzmesse

Das Fahrzeug der Zukunft fährt autonom, elektrisch und emissionsarm. Die Photonik ist ein Key-Enabler dieser Entwicklung. Sie ermöglicht die effiziente Fertigung von Batterien, Brennstoffzellen und E-Motoren, ist Garant für effektiven Leichtbau und gewährleistet die Sicherheit beim automatisierten Fahren. Führende Akteure der photonisch getriebenen Transformation treffen sich vom 26. bis 29. April 2022 auf der LASER World of PHOTONICS. Dank erprobtem Schutz- und Hygienekonzept findet sie als Präsenzmesse auf dem Münchener Messegelände statt.

Die Elektromobilität kommt. Allein der Blick auf die in Europa angekündigten Batterieprojekte beseitigt alle Zweifel. Bis 2030 sind hier in zwölf Ländern fast 40 Zellfabriken mit 1.200 Gigawattstunden (GWh) Gesamtkapazität geplant. Auch Fabriken für Brennstoffzellen, die mit dem Energieträger Wasserstoff Langstreckenmobilität gewährleisten sollen, sind im Bau. Ergänzend zu dieser Transformation der Antriebe setzen Automobilbauer auf Leichtbau: Je mehr Gewicht Multimaterialkonzepte einsparen, ohne Abstriche bei der Sicherheit der Insassen zu machen, desto höher die Reichweite und desto geringer der Energiebedarf. Als wäre das nicht genug, schreiten die Fahrzeugvernetzung und das automatisierte Fahren mit großen Schritten voran.

Laserverfahren für die neue Vielfalt im elektrischen Antriebsstrang

Laserverfahren und Photonik spielen in allen Innovationsfeldern eine zentrale Rolle. Aussteller der LASER World of PHOTONICS setzen dabei die Impulse. So werden die Bipolarplatten, aus denen Brennstoffzellen-Stacks aufgebaut sind, mit Laserverfahren von TRUMPF, Precitec, Blackbird oder RAYLASE verschweißt und in Form gebracht. Firmen wie ZEISS oder 4D Photonics treiben das Prozessmonitoring voran, während Teams der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik (ILT), Produktionstechnologie (IPT), Nachrichtentechnik (HHI) sowie Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) die Laserverfahren weiterentwickeln.

Während der Brennstoffzellenmarkt Fahrt aufnimmt, boomen Lösungen für die Batteriefertigung. Laut TRUMPF hat sie sich binnen drei Jahren verdreifacht. Das Unternehmen liefert Lasertechnik an alle großen Batteriehersteller; allein im ersten Halbjahr 2022 über 500 Laser. Mehr als die Hälfte aller Automotive-Umsätze entfallen hier auf Lösungen für die E-Mobility. Tatsächlich haben sich Laserverfahren nicht nur in der Zell-, Modul- und Batterieproduktion etabliert, sondern auch in der Fertigung von Elektromotoren und Leistungselektroniken. Da sich der Energieeintrag im Prozess präzise steuern lässt, sorgen Laser für saubere Schnittkanten und Schweißnähte bei minimaler mechanischer und thermischer Belastung der umliegenden Bereiche. Zugleich sorgen sie für effizientere – und damit kostensenkende Prozesse.

Anspruchsvolle Schweiß- und Schneidaufgaben

Das breite Repertoire photonischer Lösungen zeigt sich beim Schneiden und Schweißen von Kupfer. Das reflektierende Buntmetall ist in Elektrofahrzeugen allgegenwärtig: als mikrometerdünnes Anodenmaterial. Zum Kontaktieren der Batteriezellen und -module. In den Elektromotoren und Leistungselektroniken. Doch infrarotes Laserlicht, das in der Laserbearbeitung üblich ist, stößt hier mangels Absorption an Grenzen. Coherent löst das Problem mithilfe der ARM-(Adjustable Ring Mode)-Strategie. Der Bearbeitungsspot des Faserlasers ist von einem Lichtring umgeben, der die Absorption in der Bearbeitungszone gezielt erhöht. Dadurch läuft der Prozess zügig und spritzerfrei. Dieses Ziel erreichen Laserline und RAYLASE mit blauen Diodenlasern und präzisen Ablenkeinheiten. Da Kupfer blaues Licht viel besser absorbiert, sind zügige Multikilowatt-Prozesse machbar. TRUMPF dagegen nutzt das grüne, ebenfalls gut absorbierte Licht seiner Scheibenlaser, um das Buntmetall zu schweißen.

Um die mikrometerdünnen Kupfer- und Aluminiumfolien der Elektroden zu schneiden, sind oft Kurzpulslaser im Einsatz. Und auch zum Trocknen der frisch mit Aktivmaterial beschichteten Elektrodenfolien sind Laser gefragt. Hier ersetzt TRUMPF raumgreifende energieintensive Öfen durch VCSEL-Halbleiterlaser. Auch Laserline und die beiden Fraunhofer-Institute für Lasertechnik (ILT) und für Produktionstechnologie (IPT) setzen auf die energieeffiziente Trocknung per Laser.

Neue Laserverfahren für mehr Effizienz und Qualitätssicherung

Auch Aussteller wie SCANLAB, SCANSONIC oder IPG Laser haben sich mit ihren Fertigungslösungen zu Enablern der E-Mobility entwickelt. Neben ihren Ansätzen zur Effizienzsteigerung ist auch produktionsnahe Qualitätssicherung entscheidend, um die Batteriekosten zu senken. Es sind Anbieter wie ZEISS, Keyence oder Mahr, die mit bildgebenden, analytischen und messtechnischen Verfahren sicherstellen, dass die Elektrodenfolien homogen und gleichmäßig beschichtet werden und dass Elektromotoren, Bipolarplatten sowie die immer dichter gepackten Leistungselektroniken den geforderten Qualitätsparametern entsprechen. Erst ihre Lösungen erlauben Entwicklern jene tiefen mikro- und spektroskopischen Einblicke, auf deren Basis sie die Batteriechemie und den Aufbau der Anoden, Kathoden und der Separatoren optimieren können.

Zugleich gibt die Photonik zentrale Impulse im fertigungstechnischen Umgang mit faserverstärkten Kunststoffen und für haltbare Verbindungen zwischen den unterschiedlichsten Metallen und Kunststoffen eines Multimaterial-Leichtbaus. Gerade erst hat ein Konsortium der LASER-Aussteller neoLASE, Coherent, Sill Optics, PRIMES und LZH hierfür einen neuartigen Diodenlaser mit neun einzeln ansteuerbaren Laserspots entwickelt. Damit lässt sich die Temperatur in der Schweißnaht je nach lokaler Dicke und Beschaffenheit des Materials sowie die gewünschten Schweißnahtgeometrie regulieren. Dem Team ist es gelungen, vorab laserstrukturierte Metalle fest mit Kunststoffen zu verbinden. In einem anderen Projekt hat das Fraunhofer IPT energieeffiziente Prozesse rund um neue, unter UV-Bestrahlung kalt härtende Faserverbundwerkstoffe entwickelt.

Photonik als Enabler für Leichtbau und das autonome Fahren

Es ist genau diese Verbindung aus Präzision, Flexibilität und Innovationsfreude, mit der sich die Photonikbranche als zentraler Lösungsanbieter für die Mobilität der Zukunft etabliert. Die führenden Akteure präsentieren sich vom 26. bis 29. April 2022 auf der LASER World of PHOTONICS in München. Zu ihnen zählen diverse Anbieter von Umfeld-Sensoren für autonome Fahrzeuge. Ob Jenoptik, Hamamatsu, eagleyard, Viaoptic oder das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS): Sie alle haben gerade für die LiDAR-(Light Detection and Ranging)-Technologie, die das Fahrzeugumfeld per Laser einige hundert Meter weit abtastet, einiges in petto. Etwa einen Mikrospiegel, der den Laserstrahl in zwei Dimensionen lenkt und detektiert und zugleich durch Laufzeitmessung des Lichts zwischen Objekt und Detektor die räumliche Tiefe erfasst. Anders als rotierende Spiegel ist der winzige MEMS-Scanner aus einkristallinem Silizium robust, schockstabil, ermüdungsfrei – und dank kostengünstiger, etablierter Halbleiter-Herstellungsprozesse schnell auf industriellen Maßstab skalierbar.

Mehr Informationen zu den Ausstellern finden Sie im Ausstellerverzeichnis; Details zur Messe unter world-of-photonics.com.

Weitere Themen und Interviews rund um die Photonik finden Sie auch im Photonik-Branchenportal, der Informationsplattform für die Photonik.