Präzises und rückstandsfreies Entlacken in der Elektromobilität

Ob zur Kontaktierung oder zur Herstellung elektromagnetisch verträglicher geschlossener Gehäuse, die Elektromobilität fordert neue kostengünstige, reproduzierbare Entlackungstechnik. Mit Hilfe präziser laserbasierter Entlackung ist es dabei nicht nur möglich Batteriegehäuse aus Aluminium oder verzinktem Stahlblech punktuell zu entschichten, sondern auch Kupferlackdraht rückstandsfrei zu entlacken. Die blanken Kupferdrähte sind damit optimal für den weiteren Löt- oder Schweißprozess in der Stator-Produktion des Elektromotors vorbereitet.

Batteriegehäuse entlacken

Batteriekästen zur Aufnahme der Batteriemodule sind in der Regel aus zahlreichen Einzelteilen gefügt, um die empfindlichen Batterien im Falle eines Unfalls sicher vor Beschädigung und der damit einhergehenden Brandgefahr zu schützen. Nach dem Einbau werden diese Batteriemodule dicht verschlossen, damit keine Feuchtigkeit eindringen kann. Auch elektromagnetische Strahlung darf nicht mehr in die Batterie gelangen. Ein wirkungsvoller Schutz und eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) lassen sich durch elektrische Kontaktierung des Batteriegehäuses zum Deckel erzielen. Dabei muss zudem die Korrosion solcher „blanken“ Kontaktflächen vermieden werden. Außerdem ist eine sichere Massekontaktierung zur Stromableitung der Batteriemodule technisch notwendig.

Die Clean-Lasersysteme GmbH (cleanLASER) hat zur elektrischen Kontaktierung verschiedene Lösungen entwickelt. Für die Komplettbearbeitung großer Batteriekästen eignet sich vor allem die cleanCELL, ein modulares Komplettsystem.

Bauteile aus verzinktem Stahl oder Aluminium lassen sich abhängig von der Beschichtungsart und der Schichtdicke mit bis zu 30 cm² pro Sekunde entlacken.

Bei Aluminium erfolgt eine automatische Begrenzung der Entlackung durch die Reflektion am „blanken“ Metall. Bei Stahlblech besteht die Herausforderung darin, die Zinkschicht, die sich unter dem KTL-Lack auf dem Stahlblech befindet, zu erhalten und somit vor Korrosion zu schützen. Dabei ist es mit der Lasertechnik möglich, den Lack auf verzinkten Bereichen so schonend zu entfernen, dass die Zinkschicht nicht geschädigt wird. Zugleich lassen sich gestanzte Bereiche wie z.B. Schraublöcher aussparen, denn hier muss oft die Innenseite eines Bohrlochs beschichtet bleiben, um keine Startpunkte für Korrosionsschäden zu erzeugen.

Da die Bearbeitung der Batteriegehäuse und -deckel einerseits positions- und konturgenau erfolgen muss, andererseits aber möglichst kein Programmieraufwand bei der Anwendung entstehen soll, entwickelte cleanLASER die Software „contourSCAN“. Durch die integrierte CAD/CAM-Schnittstelle wird die präzise Entlackung aus den Zeichnungsdaten mit ein paar Mausklicks erzeugt.

Die contourSCAN-Technologie kann sowohl mit den cleanCELL-Standard-Automationssystemen als auch mit den daraus abgeleiteten cleanGANTRY-Systemen eingesetzt werden. Mit diesen hochgenauen Portalanlagen ist die Bearbeitung großer Bauteile und Baugruppen reproduzierbar und qualitätskontrolliert möglich.

Fügevorbehandlung

Eine weitere Anwendung ist die Fügevorbehandlung von Gehäusebauteilen aus Aluminium zur Klebevorbehandlung. Dabei lässt sich der Laser auch auf unbeschichtetem Material effektiv einsetzen. Durch die Modifikation wird die Oberfläche für die Anbindung der Kleb- und Dichtstoffe vorbereitet und somit eine gute Haftung der FIPG- und CIPG-Dichtungen erzielt. Außerdem eignet sich die Oberflächenreinigung und Modifikation mit dem cleanLASER für strukturelle Verklebungen. Durch eine gezielte Veränderung der kristallinen Struktur z.B. bei Aluminium ist eine Absenkung des elektrochemischen Korrosionspotenzials und somit eine dauerhafte Klebefestigkeit auch für crashbelastete Strukturen möglich.

Aber auch die Nachbehandlung von Schweißnähten z.B. für die Abdichtung mit Heißbutyl oder MS Polymeren kann mittels Laserreinigung kontaminationstolerant und prozessstabil erzielt werden. Das Laserverfahren ist immer dann von Vorteil, wenn eine „blanke“ Metalloberfläche frei von Organik und Beschichtungen eine Voraussetzung für den Folgeprozess darstellt, wie z.B. zur KTL-Beschichtungsvorbereitung von Kühlerkomponenten im Thermomanagement der Batterie oder auch für die Schweißvorbehandlung im Allgemeinen.

Vorteile des Laserverfahrens sind die nachweislich sehr guten Haftungseigenschaften und Klebfestigkeiten, die Steigerung der Korrosionsbeständigkeit, eine dauerhafte stabile Abdichtung sowie die Crashfestigkeit.

Absaugung und Prozessabsicherung

Zur rückstandfreien Bearbeitung gehört auch eine effiziente Absaugung, mit der die abgetragenen Lackpartikel gesammelt werden. Damit lässt sich eine 24/7 Nutzung der Anlagen mit minimierten Wartungsunterbrechungen erzielen.

Es stehen zudem Prozessabsicherungslösungen für die Laserentlackung von Batteriekomponenten zur Verfügung. Diese umfassen neben der Technologie zur Absicherung der Anlagentechnik, wie z.B. zur Messung der Laserleistung, auch Messsysteme zur Ergebnisabsicherung. Das sind beispielsweise auf Kameratechnik basierende vergleichende Systeme, die inline jederzeit in der Lage sind, die Bauteilbearbeitung mit entsprechenden Referenzteilen zu vergleichen. Diese und weitere Prozessparameter sowie Messdaten lassen sich über entsprechende Schnittstellenstandards (z.B. OPC UA) für den Datenaustausch mit Betriebsdaten-Erfassungssystemen (BDE) bereitstellen.

Kupferlackdraht

Bei der Fertigung von Elektromotoren werden Kupferlackdrähte mit speziellen Isolationsbeschichtungen aus Kunststoffen verwendet. Typischerweise sind das temperaturbeständige Kunststoffe wie Polyamid (PA), Polyamidimid (PAI) oder Polyetheretherketon (PEEK). Auch eine Kombination mehrerer Kunststoffe ist möglich. Die Beschichtungen dienen zur Isolation und zum Schutz der Kupferleitungen. Um nun optimale Schweiß- und Lötergebnisse des Kupfers zu erhalten, muss die Isolationsbeschichtung partiell entfernt werden. Diese Entlackung lässt sich mit mechanischen Methoden oder wesentlich reproduzierbarer und prozesssicher mit der wireLINE von cleanLASER ausführen.

wireLINE zur effizienten Drahtentschichtung

Bei der Fertigung von Statoren kommen vor allem im Bereich der E-Mobility lackierte Kupferleitungen zum Einsatz. Diese sind zur Isolation gegen Kurzschluss mit einem Lack oder einer Isolierung geschützt.

Beim Entlacken zur Schweißvorbehandlung wird das Rohmaterial von der Rolle zugeführt und der beschichtete Draht für die Wicklung je nach Leistung und Bauart des Motors in Stücke von typischerweise 100 bis 800 mm Länge geschnitten, so dass daraus Pins entstehen. Diese geraden I-Pins bzw. zu Halbschlaufen gebogene Hairpins werden dann in die gelochten Statorbleche eingesteckt. Um daraus eine geschlossene Wicklung zu erstellen, muss man die Halbschlaufen miteinander verlöten oder verschweißen. Für eine optimale Verschweißung werden die Enden der Pins entlackt. Idealerweise erfolgt das bereits inline am durchgängigen Draht, sodass nach dem Schnitt in der Mitte der Entlackungsstelle zwei abisolierte lackfreie Drahtenden entstehen.

Die Anforderungen seitens der Industrie an die Drahtentschichtung sind vielfältig: Allseitige Entlackung, vollständige Lackfreiheit sowie hohe Reproduzierbarkeit bei schwankender Lackschichtdicke. Der Entlackungsprozess sollte außerdem kontaminationsfrei sein, und dass bei hoher Taktzeit und minimierten Kosten.

cleanLASER hat daher die festkörperlaserbasierte Systemlösung wireLINE entwickelt, die eine Bearbeitung über eine große Länge des durchlaufenden Drahtes im Bereich von ca. 300 mm Arbeitsbereich erlaubt. Die Entlackung erfolgt nachweislich rückstandsfrei mit einer Rest-Fluoreszenz (RFU) < 5. Diese Messung korreliert mit einer organischen Kontamination und stellt sicher, dass der Lack auch vollständig entfernt ist.

Der Drahtquerschitt wird durch die Reflektion des Laserstrahls am Kupfer dabei nicht messbar reduziert.

Die wireLINE DIRECT Lösung bestrahlt den Draht direkt mit vier Optiken und vier Lasersystemen. Sie eignet sich besonders für wechselnde Drahttypen und bietet eine hohe Flexibilität für verschiedene Drahtquerschnitte. Die Taktzeiten sind durch die relativ hohe Gesamtlaserleistung, die fortwährend bei der Vorschubbewegung auf den Draht („on-the-fly“) einwirkt, sehr kurz. Bei einem Draht mit bis zu 4 mm Kantenlänge und einer 90 µm PA/PAI Beschichtungsstärke liegt die Taktzeit z.B. bei nur 0,6 Sekunden.

Somit lässt sich der Draht durch die bewegte Bearbeitung (auch mit variabler Geschwindigkeit) um bis zu 40 % schneller abtragen als mit bisherigen Laserverfahren, die den stehenden Draht bearbeiten. Dabei konnte die Laserleistung um 70 % gegenüber konventioneller statischer Laserbearbeitung reduziert und der damit einhergehende Energieverbrauch deutlich gesenkt werden. Für das o.g. Beispiel ergeben sich bei einer angenommenen Nutzungsdauer von nur sechs Jahren und einem Stator mit ca. 150 Hair-Pins Entlackungskosten von lediglich 0,5 € pro Stator bei einer Jahreskapazität von über 150.000 Statoren.

Ähnlich wie für die Batteriekästen bietet cleanLASER auch für die Drahtentlackung passende Absaugtechnik, die an Draht und Lackanforderung angepasst ist, sowie komplementäre Prozessüberwachungslösungen an.