Il laser aumenta l’efficienza della produzione di veicoli elettrici

Presso ARENA2036 dell’Università di Stoccarda, EPIC ha organizzato una due giorni per parlare delle applicazioni laser nel settore della produzione dei veicoli elettrici: diversi esperti hanno parlato dello stato dell’arte e dei possibili sviluppi, delle nuove applicazioni e delle ultime tendenze di mercato.

La crescente domanda di veicoli elettrici moderni ha reso necessario lo sviluppo di batterie più efficienti e con prestazioni migliori. Le tecniche di taglio e saldatura laser sono già integrate nelle linee di produzione delle batterie. Il taglio laser trova applicazione in vari componenti della batteria, tra cui separatori ed elettrodi. La saldatura laser si è evoluta per soddisfare i requisiti di zone termicamente alterate minime, controllo preciso della profondità di penetrazione, alta velocità di lavorazione e saldatura di metalli dissimili, grazie allo sviluppo di nuove sorgenti laser con i parametri giusti. Durante l’incontro di due giorni organizzato da EPIC, tenutosi il 24 e il 25 ottobre ospitato dall’Università di Stoccarda presso il campus di ricerca ARENA2036, un gruppo di esperti ha discusso gli ultimi sviluppi, le nuove applicazioni e le tendenze del mercato. L’incontro ha visto la partecipazione di 20 relatori in rappresentanza dell’intera catena di fornitura, tra cui aziende automobilistiche, produttori di batterie, aziende di monitoraggio dei processi e produttori di laser.

L’evento si è suddiviso in quattro sessioni, durante cui gli speaker hanno trattato l’argomento attraverso punti di vista differenti: applicazioni fotoniche nella produzione di catodi/anodi, applicazioni fotoniche nella produzione di celle a batteria, e applicazioni fotoniche nella produzione di moduli batteria. Le sessioni sono state introdotte dalla presentazione di Jan-Philipp Weberpals, Subject Specialist Laser Beam Processes for Car Body Construction and Electromobility di Audi, che ha spiegato che il sistema di batterie dei veicoli elettrici è costituito da diversi moduli di batterie, assemblati da un gran numero di singole celle di batterie. La tecnologia a raggio laser offre un’ampia gamma di soluzioni possibili per l’elettromobilità. Oltre ai contatti delle celle, che costituiscono il cuore del modulo batteria, anche il suo alloggiamento deve essere collegato mediante la tecnologia a raggio laser. Le sfide della prototipazione sono quindi evidenti e la questione di un’unica apparecchiatura per diversi requisiti è ovvia.

Applicazioni fotoniche nella produzione di catodi/anodi

La presentazione di Jens Reiser, Sales & Innovation E-Mobility di Precitec, si è concentrata sulle soluzioni Precitec per i sensori ottici. Nella prima parte, Reiser ha illustrato i principi fisici alla base dei sensori Precitec, comprese le tecniche di misurazione confocale e interferometrica cromatica che possono raggiungere risoluzioni inferiori a 1 micron. Questi sensori consentono di misurare in linea e senza contatto i criteri di qualità critici nella produzione di cellule. Nella seconda parte della presentazione sono stati affrontati argomenti quali: il rilevamento di impurità; la misurazione dello spessore e della sopraelevazione dei bordi; l’ispezione delle bave di taglio. La presentazione si è conclusa con una panoramica delle potenziali strategie ad anello chiuso per le future linee MP.

L’attuale rapida crescita del settore dei veicoli elettrici, come evidenziato da Günter Ambrosy – Industry Manager Mobility di TRUMPF, sta stimolando la domanda e l’innovazione nella produzione di batterie. Ciò è particolarmente evidente nello sviluppo di processi basati sul laser per la produzione di celle per batterie. Che siano cilindriche, a sacchetto o prismatiche, tutte le celle delle batterie richiedono il taglio delle lamine. Tradizionalmente questo processo è stato realizzato con processi meccanici come il taglio e lo stampaggio, ma i recenti aumenti delle potenze laser hanno reso il taglio laser più interessante, al punto che ora sta diventando il processo di scelta. Soddisfare le richieste industriali si rivela una sfida a causa della complessità dei materiali delle lamine e dei progetti degli elettrodi, rendendo la scelta della tecnologia laser più adatta una sfida significativa. Le esigenze vanno dal taglio di sottili lamine metalliche nude alla profilatura di materiali rivestiti, dove sia la lamina nuda che il materiale rivestito devono essere tagliati in un unico processo. I materiali si dividono in anodi (lamine di rame rivestite di grafite) e anodi (lamine di alluminio rivestite con mezzi attivi contenenti Li+ come NMC o LFP).

Applicazioni fotoniche nella produzione di celle a batteria

La tecnologia Enovasense, raccontata da Geoffrey Bruno – Founder dell’azienda, consente di misurare le proprietà chiave di qualsiasi tipo di rivestimento opaco su qualsiasi materiale. Dopo il rivestimento dell’elettrodo e prima della calandratura, il peso superficiale, la densità e persino il livello di essiccazione degli strati di catodo e anodo possono essere misurati con un sensore unilaterale, indipendentemente dal substrato sottostante. Inoltre, lo spessore della vernice dielettrica isolante può essere misurato anche su numerose parti, come la cella della batteria stessa o i componenti di trasmissione del calore. Nel settore delle celle a combustibile, la tecnologia Enovasense è in grado di misurare lo spessore di vari tipi e geometrie di rivestimenti su piastre bipolari, da rivestimenti in canali di campi di flusso molto piccoli a rivestimenti che scendono a livelli nanometrici.

Holger Schlueter, Head of Business Development di SCANLAB, ha identificato tre applicazioni laser nel campo della produzione di batterie per veicoli elettrici: saldatura Cap-Can, Busbar al terminale della batteria, moduli batteria. Schlueter ha presentato la saldatura al volo per gli stadi lineari 1D per migliorare il tempo di ciclo di queste applicazioni. Gli svantaggi della modalità di saldatura statica includono tempi di spegnimento del laser indesiderati tra gruppi di giunzioni adiacenti e inoltre, utilizzando un campo di scansione più ampio, è necessario considerare alcuni aspetti fisici per i bordi del campo di scansione: variazione dell’angolo di incidenza e geometria ellittica dello spot. Entrambi gli inconvenienti possono essere eliminati implementando la funzionalità on-the-fly per gli stadi lineari 1D/2D. I vantaggi della modalità on-the-fly includono la preregistrazione della velocità dell’asse, che consente di aumentarla fino a quando non viene identificato un tempo di spegnimento del laser nel processo.

Come spiegato da Robert Bernhard, Application Lab and Branch Manager di Civan Lasers, l’evoluzione della produzione automobilistica di veicoli elettrici ha determinato una crescente richiesta di saldatura di materiali in alluminio. In particolare, la leggerezza e la superiore conducibilità termica dell’alluminio lo rendono vantaggioso per le applicazioni di mobilità elettrica. Il laser a fascio dinamico, una soluzione emergente nel campo della saldatura dell’alluminio, offre capacità senza precedenti di modellare e regolare il fascio laser in tempo reale. Questa tecnologia consente di modulare la distribuzione dell’intensità utilizzando livelli di potenza laser fino a 28 kW per la saldatura. Queste capacità consentono un controllo preciso del bagno di fusione.

Applicazioni fotoniche nella produzione di moduli batteria

La domanda, in continuo aumento, di tecnologie di propulsione alternative, come le batterie o le celle a combustibile, pone nuovi compiti ai sistemi di produzione. Nuovi concetti di produzione o requisiti per le fasi di produzione esistenti sono solo alcune delle sfide che i produttori devono affrontare. Altri fattori da non sottovalutare sono la crescente concorrenza o la pressione sui costi nella produzione di batterie. I processi laser sono particolarmente importanti perché sono diventati parte integrante dei moderni impianti di produzione di veicoli elettrici.

Nella sua presentazione, Thomas Umschlag, General Manager di PRIMES, ha illustrato come la diagnostica dei raggi laser possa contribuire in modo significativo all’aumento della produttività e alla riduzione dei costi. Sono state presentate le opzioni per la caratterizzazione delle fasi di produzione basate sul laser durante l’installazione delle apparecchiature di produzione, ma anche come le tecnologie di monitoraggio integrate nel sistema possono aumentare la qualità del prodotto e l’eccellenza della produzione.

Applicazioni fotoniche nella produzione di celle a combustibile

Infine, Eveline Reinheimer, Research Associate di IFSW – Institut für Strahlwerkzeuge, ha mostrato come la saldatura a fascio laser sia un processo altamente efficiente per unire i perni di rame degli azionamenti elettrici, comunemente chiamati “forcine”. La formazione di pori può ridurre l’area della sezione trasversale, con conseguente aumento della resistenza elettrica e diminuzione della resistenza alla trazione del giunto.

Questo studio confronta diverse strategie di saldatura per valutare la formazione di pori e spruzzi durante la saldatura di forcine in Cu. Le strategie di saldatura sono state modificate alterando le geometrie dei contorni di scansione, le forme dei fasci e impiegando l’energia di linea adattiva. Sono state ottenute diverse forme di fascio utilizzando una fibra di distribuzione del fascio due in uno e un laser Civan con combinazione coerente del fascio. Per rilevare la formazione di pori, la zona di lavorazione è stata monitorata attraverso l’imaging a raggi X, mentre per osservare la formazione di spruzzi sono state utilizzate telecamere ad alta velocità.