Verfahren

Der weltweit steigende Energieverbrauch und die Ambitionen einer effizienten Energienutzung führen zu einem steigenden Bedarf an hochwertigen Werkstoffen für die Energieübertragung und -wandlung. Gefragt sind darüber hinaus technologische und anlagentechnische Lösungen für die Eigenschaftsverbesserung, die in bestehende Produktionsprozesse und -linien integriert werden können.

Ein Anwendungsbereich ist die Optimierung der magnetischen Eigenschaften von kornorientiertem Elektroblech, welches vorzugsweise für Transformatorenkerne verwendet wird. Durch eine gezielte Laserbehandlung können die Verluste, die während der Ummagnetisierung der Transformatorkerne entstehen, reduziert und somit die Effizienz der Energieübertragung gesteigert werden. 
 

Domänenfeinung von Elektroblechen 

Der verfahrenstechnische Ansatz basiert auf der Feinung der magnetischen Domänen. Hierzu werden lokale Spannungen (thermische Domänenfeinung) oder strukturelle Defekte in Form von Gräben (wärmebeständige Domänenfeinung) im Material erzeugt. Der Laserstrahl fungiert als Werkzeug dessen Energieeintrag durch die optimale Wahl der Prozessparameter und der optischen Konfiguration beeinflusst werden kann. Der lotsenkrecht zur Walzrichtung bewegte Laserstrahl erzeugt Linien in einem äquidistanten Abstand und beeinflusst somit die magnetischen Domänen. Die mit Partnern entwickelte systemtechnische Lösung erlaubt die Integration in Produktionslinien und ermöglicht die kontinuierliche Behandlung des bis zu 160 m/min schnellen Bandes.
 

Systemtechnische Lösung

Die Laserstrahlablenkoptik lasertronic^®SAO x.x/12D wurde für die Laser-Domänenverfeinerung von kontinuierlich bewegten kornorientierten Siliziumstahlband entwickelt. Die Strahlen von bis zu vier Laserquellen werden auf die Materialoberfläche fokussiert. Der einzelne Laserspot wird mit Geschwindigkeiten von bis zu 300 m/s senkrecht zur Richtung des laufenden Bandes bewegt. Die vom Blech absorbierte Energie erzeugt thermische Spannungen. Als Ergebnis werden die magnetischen Domänen verfeinert. Das System lasertronic^®SAO x.x/12D nutzt 12 Galvanometerscanner in einer patentierten Anordnung, um mit vier unabhängigen Laserstrahlen pro Sekunde 800 parallele Linien auf einem 1 m breiten Band zu erzeugen.

Das am Fraunhofer IWS entwickelte, einzigartige LMDR Testsystem wird zur prozess- und systemtechnischen Weiterentwicklung genutzt. Das System verfügt über zwei unabhängige Laserstrahlengänge und einem den Produktionssystemen entsprechenden Aufbau. Der einachsige Materialtransport erfolgt über einen Probentisch. Die Verwendung verschiedener Laserquellen erlaubt z.B. die Untersuchung des Einflusses der Wellenlänge. Für Kundenmaterialien können angepasste Bearbeitungsparameter erarbeitet werden, die direkt mit Produktionssystemen umsetzbar sind. Die Veränderungen der magnetischen Eigenschaften, die für Einzelstreifen oder Epstein-Sets bestimmt werden, sind dabei ein Optimierungskriterium.

Technologie- und Systemtechnikentwicklung für das Hochratelaserabtragen an Kupferpins

Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen erfordern maximale Stromstärken, die zur Entwicklung der Pin bzw. Hairpin-Technologie geführt haben. Neue Montage- und Kontaktierungsverfahren wurden entwickelt, bei denen die Einzelpins durch Schweißen oder Löten elektrisch kontaktiert werden. Die Fügestellen müssen metallisch blank, d.h. lokal abisoliert und frei von Rückständen sein.

Für das lokale Abisolieren von kontinuierlich bewegten Kupferleitern wurde eine Technologie und die zugehörige Systemlösung entwickelt. Die Verwendung einer kontinuierlich emittierenden Laserstrahlquelle im kW-Bereich in Verbindung mit einer hochdynamischen Strahlablenkung ermöglicht Abtragsraten größer 1000 mm²/s. Die Teilung des Laserstrahls in zwei Einzelstrahlen wurde genutzt um eine allseitige, parallele Bearbeitung zu realisieren. Die hohe Reflektivität des Kupfers gegenüber der verwendeten Laserwellenlänge stellte eine Herausforderung hinsichtlich der Anordnung der Bearbeitungsoptiken und der Abtragsreihenfolge dar.

Für den Auftraggeber wurden technologische Untersuchungen zur Festlegung der Bearbeitungswellenlänge, der benötigten Laserleistung und der erreichbaren Abtragsrate durchgeführt. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten ein optisches Konzept entwickelt, die Systemtechnik ausgewählt und qualifiziert werden. Die entwickelte angepasste Systemlösung machte es dem Auftraggeber möglich, das kontinuierliche Abisolieren in die Fertigungslinie zu integrieren. Die Systemtechnik wurde zum Endnutzer transferiert, die Technologie in Betrieb genommen und die notwendigen Unterweisungen und Schulungen durchgeführt. Der Laserbearbeitungsprozess ist so ausgelegt, das auf veränderliche Umgebungsbedingungen oder Produktionsvorgaben flexibel reagiert werden kann.

Auf Basis eines tiefgründigen Prozessverständnisses entwickelt das Fraunhofer IWS anforderungsgerechte Technologien zum Hochleistungslaserabtrag. Daraus werden die Randbedingungen für die Auslegung der Systemtechnik abgeleitet und produktionsrelevante Konzepte entworfen. Eine auf den individuellen Nutzen abgestimmte Steuerungshard- und -software rundet die Lösung ab.

Hochrate-Laserabtrag für definierte Oberflächenrauheiten

LIGHTblast ist eine konsequente Weiterentwicklung der Lasermikrostrukturierung, wobei eine kontinuierlich emittierende Strahlquelle den gepulsten Laser ersetzt. Die hohe Präzision der Mikromaterialbearbeitung weicht einer flächig verteilten Oberflächenstruktur. Die deutlich höhere mittlere Laserleistung und ein alternatives physikalisches Wirkprinzip ermöglichen eine 100-fach höhere Oberflächenrate als aus der Mikrobearbeitung bekannt.

Mittels einer speziell entwickelten Software lassen sich anwendungsspezifische Prozesse für verschiedenste Materialien mit beliebigen Ausgangsoberflächen und unterschiedlichen Zielrauhigkeiten effizient umsetzen. Die Vorteile des Verfahrens liegen auf der Hand: Der Verzicht auf ein physikalisches Schleifmittel schließt Kontaminationen aus, senkt die Betriebskosten und minimiert die Abfallmenge auf das tatsächlich abgetragene Material. Eine Beeinflussung der Qualität durch Strahlmittelverschleiß lässt sich ausschließen. Ein Strahlmittelwechsel für unterschiedliche Zielrauhigkeiten entfällt und wird über die Bearbeitungsparameter Laserleistung und -geschwindigkeit gesteuert.

Der Arbeitspunkt des Lasers hat einen Durchmesser von weniger als 50 µm und kann mit einer Genauigkeit von 10 µm auf der Oberfläche geführt werden. Die Maskierung der zu bearbeitenden Oberflächen erfolgt intuitiv in der eigens entwickelten Programmiersoftware mit Standard-CAM-Funktionalitäten. Im Vergleich zum Sandstrahlen ist eine Prozessautomatisierung notwendig, die sich aber durch reduzierte Teiletaktzeiten und exakte Prozessergebnisse ohne Schwankungen sofort auszahlt.