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Elektromobilität fordert neue Ideen

Bei Benteler tüfteln kluge Köpfe an Lösungen, die Kunden in Zukunft wohl dringend brauchen. Gemeinsam mit Entwicklungspartnern wie Trumpf arbeiten sie an neuen Laserschweissverfahren, mit denen sich Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge effizient fertigen lassen.

Sie sind leise, nachhaltig und stehen für die Zukunft: Elektrofahrzeuge legten 2021 einen Turbostart hin: Im ersten Halbjahr wurden weltweit 2,65 Millionen rein elektrische Fahrzeuge neu zugelassen. Ihr Herzstück sind Hochvolt-Batteriespeicher und die sie umgebenden Batteriekästen. Letztere schützen die Zellen nicht nur vor den Folgen von Crashs, sondern auch vor Einflüssen wie Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen, die sich negativ auf die Batterieleistung auswirken können. Hergestellt werden diese Batteriekästen bisher hauptsächlich aus leichten Aluminiumlegierungen. 

Dies sei aber nur die eine Seite der Medaille, finden die Entwickler des Metallprozess-Spezialisten Benteler Automotive mit Hauptsitz in DE-Paderborn. Für sie bietet der Werkstoff Edelstahl trotz seines etwas höheren Gewichts unübersehbare Vorteile, wie Christian Buse, Teamleiter R&D der Division Automotive bei Benteler, erzählt: «Für unsere Kunden wird der Kostenfaktor zunehmend wichtiger. Edelstahl punktet nicht nur mit geringeren Materialkosten. Er ist auch korrosionsbeständig und hat einen hohen Schmelzpunkt. Das kann im Fall eines Fahrzeugbrandes für die Sicherheit der Insassen entscheidend sein.» Hinzu komme, dass der Werkstoff – Stand heute – in der Herstellung je nach Zulieferer aufgrund des hohen Recyclinganteils im Vergleich zu Aluminium nachhaltiger sei. 

«Ganz entscheidend ist aber, dass sich Edelstahl grundsätzlich hervorragend mit dem Laser schweissen lässt. Was wir für die E-Mobilität brauchen, ist ein reproduzierbarer Prozess und ein Verfahren, das die hohen Anforderungen an das Dichtschweissen von Batteriekästen erfüllt», präzisiert Buse. Beim Fügen von Abgassträngen für Verbrenner machte Benteler schon positive Erfahrungen mit dem Laserschweissen und Anlagen von Trumpf. Also wandten sich Buse und sein Kollege Conrad Frischkorn mit ihrer Idee für Batteriekästen 2020 an den langjährigen Partner. 

Know-how über den kompletten Prozess

«Unser Entwicklungsziel war ein Konzept für einen flexiblen und skalierbaren Batteriekasten aus Edelstahl mit bodenintegrierter Kühlplatte. Das von uns neu entwickelte Faltkastenkonzept dient der Crashsicherheit, nutzt den Bauraum der Batterie optimal aus und kommt mit weniger und kürzeren Fügestellen aus», erklärt Frischkorn.

Für die automatisierten Fertigung sind eine Laser-Stanz-Kombianlage, eine Biegezelle sowie eine Laserschweissanlage notwendig. Bei all diesen Technologien verfügt Trumpf über die entsprechenden Anlagen und das Know-how, um alle Bearbeitungsprozesse exakt aufeinander abzustimmen. In unterschiedlichen Managementbereichen arbeiten bei Trumpf jeweils auf ein bestimmtes Gebiet spezialisierte Technologie- und Applikationsexperten. Gemeinsam mit Kunden entwickeln sie neue Produkte für die Industrie. Mauritz Möllers Fokus liegt auf dem Batterie Packet, also auf der Antriebsbatterie von Elektrofahrzeugen und deren Komponenten.

Die von Benteler definierte Aufgabe war mehrteilig, so Möller: «Gewünscht war die Unterstützung beim fertigungstechnischen Design eines Batteriekastens mit integrierter Kühlplatte. Passend dazu sollten die Experten von Trumpf die notwendigen Fertigungstechnologien aufeinander abstimmen und eine vollautomatische Prozesskette für die Serienfertigung aufsetzen. Darüber hinaus stand ein schneller und reproduzierbarer Laserschweissprozess zum gas- und heliumdichten Schweissen des Batteriekastens auf der Anforderungsliste.» 

Möller und sein Team stellten nach kurzer Zeit eine Lösung vor. Mit der schon vorhandenen patentierten Trumpf Technologie «BrightLine Weld» ist es möglich, Edelstahl auch bei den hohen Geschwindigkeiten einer Serienfertigung spritzerfrei zu schweissen. Das macht die Nachbearbeitung des Bauteils überflüssig und schützt Maschine und Fokussieroptik. 

Am wichtigsten für die Aufgabenstellung war aber, dass sich mit der Technologie perfekte gas- und heliumdichte Nähte erzeugen lassen, wie Möller erklärt: «Die hohe Schweissgeschwindigkeit erfordert eine massgeschneiderte Einbringung der Wärmeenergie ins Material. Nur so lässt sich ein stabiles Schmelzbad während des Schweissens gewährleisten. Material, das bei der Bearbeitung wegspritzt, fehlt bei der Bildung der Schweissnaht. Es können sich Poren bilden, und genau das verhindert BrightLine Weld.» 

Geht nicht, gibt’s nicht

Befeuert durch diesen Erfolg nahmen Buse und Frischkorn gleich die nächste Herausforderung ins Visier. Buse erzählt: «In Sachen E-Mobilität gibt es noch viel Gestaltungsfreiraum. Den nutzen wir dafür, uns mit Lösungen zu beschäftigen, die der Markt nicht heute oder morgen, aber eventuell irgendwann braucht.» Die Idee, das Batteriegehäuse aus Edelstahl zu fertigen, muss bei Kunden erst noch ankommen. Also machen sich Buse und Frischkorn nun Gedanken darüber, wie sich die positiven Ergebnisse beim gasdichten Schweissen von Edelstahl auch auf das derzeit noch populärere Aluminium anwenden lassen. «Aluminium hat zwar bei unseren Kunden eine hohe Akzeptanz», erklärt Frischkorn. «Aber vom Versuch, dieses Material mittels Laser dichtschweissen zu wollen, rieten uns die meisten ab.» Doch davon lassen sich die beiden Entwickler nicht entmutigen, wie Buse berichtet: «Wir handeln nach dem Motto ‹We make it happen› und sehen es als unsere Aufgabe, bestehende Prozesse weiterzuentwickeln. Das verschafft uns Vorsprung. Wer erst damit beginnt, etwas Neues zu denken, wenn der Markt danach fragt, der ist zu spät dran.» 

Bereit sein für das, was kommt

Diese Einstellung teilt Mauritz Möller. Er entwickelt mit seinem Team speziell für Benteler eine komplett neue Technologie: die sogenannte Multi-Fokus-Optik. Die Kombination von einem «TruDisk Laser» mit BrightLine Weld plus patentierter Mulit-Fokus-Optik schafft, was bisher nicht gelang: das gasdichte Schweissen von Aluminium. BrightLine Weld teilt den Laserstrahl zunächst zwischen Ring und Kern auf. Die Bearbeitungsoptik splittet ihn zudem in vier einzelne Spots, die alle von der Ring-Kern-Aufteilung überlagert sind. Die Spots sind so zueinander positioniert, dass sie ein kontinuierlich geöffnetes «Keyhole» erzeugen. Dies verhindert Gasein-schlüsse und damit ein Kollabieren der Schweissnaht. Beim Schweissen von Aluminium war das bisher der Knackpunkt.

Erste Tests und CT-Aufnahmen zeigen, dass sich mit dem Verfahren hochfeste, nahezu porenfreie Schweissnähte erzeugen lassen. Buse und Frischkorn arbeiten jetzt an der Validierung der Ergebnisse beim Einsatz in grösseren Serien. Buse: «Auch diese Entwicklung sehen wir im Rahmen einer Demonstration dessen, was alles möglich ist. In der E-Mobilität gibt es kaum Standards. Alles ist buchstäblich in Bewegung. Und wir möchten auf alles vorbereitet sein.» 

Neben der eigenen Einstellung, auch bei Gegenwind nicht einzuknicken und den Kopf in den Sand zu stecken, baut Benteler wie schon in der Vergangenheit auf Entwicklungspartner mit der gleichen Denke. Das habe viele Vorteile, so Frischkorn: «Wenn spezialisierte Partner ihr Know-how für ein gemeinsames Entwicklungsziel zusammenwerfen, dann ist die Arbeit effizienter, die Entwicklungszeit kürzer und die Kosten fallen geringer aus.» Letztlich profitierten alle Beteiligten von der Zusammenarbeit, ergänzt Buse: «Bei der E-Mobilität ist noch so vieles möglich. Es ist wichtig, in alle Richtungen offen zu bleiben, das schätzen wir auch an Trumpf.»

trumpf.com