Les véhicules électriques entraînent le besoin d'avancement du soudage au laser
Les véhicules électriques entraînent le besoin d'avancement du soudage au laser
La production de véhicules électriques oblige les ingénieurs à terminer plusieurs processus de fabrication cruciaux. Le soudage au laser est essentiel pour atteindre les résultats cibles à des débits élevés.
Propulsé par une législation qui vise à accélérer l'adoption de véhicules électriques (véhicules électriques), les constructeurs automobiles du monde entier sont confrontés à des pressions croissantes pour accélérer la production. Le Japon, le Canada et le Royaume-Uni font partie des puissances mondiales qui ont déjà promulgué des politiques qui obligeront toutes les nouvelles voitures sur le marché pour être électriques d'ici 2035. Aux États-Unis, les États individuels sont à divers stades de la mise en œuvre des mandats EV, signalant davantage une vague à venir de technologies de mobilité.
Dans la fabrication de véhicules électriques (EV), les plaques bipolaires de soudage au laser, les contacts de batterie, les épingles à cheveux et les refroidisseurs de surface pour les plateaux de batterie de voiture sont des processus essentiels.
Bien que les premiers adoptants aient de nombreuses options pour cette technologie de nouvelle génération, tous les consommateurs ne sont pas prêts à apporter le changement aux véhicules électriques. Les préoccupations concernant la durée de vie de la batterie, le manque d'infrastructures de charge établies et la méconnaissance de base sont parmi les facteurs qui lient de nombreux acheteurs potentiels d'EV aux véhicules à gaz.
Ces considérations ne parviennent pas à répondre à la préoccupation ultime auxquelles sont confrontés les consommateurs. Si les véhicules électriques doivent gagner des sceptiques, les champions de la technologie doivent convaincre les conducteurs que les véhicules électriques atteindront des objectifs de coûts abordables.
Pour les fabricants de véhicules électriques, le soudage au laser est une pratique vitale, permettant la jonction de matériaux différents, facilitant le traitement de pièces plus légères et ajoutant des niveaux de précision nécessaires pour diverses étapes de production distinctes. En plus d'être une méthode de haute qualité pour produire ces véhicules, le soudage au laser aide également à réduire les coûts en éliminant les déchets et en améliorant l'efficacité des véhicules. Les capacités de soudage actuelles permettent aux fabricants de contourner l'utilisation de matériaux de remplissage dont certaines applications ont besoin et d'utiliser moins de matériaux dans l'ensemble.
Avec ces avantages, cependant, certaines entreprises, à diverses positions de la chaîne de production de fabrication EV, exigent davantage les systèmes qui permettent ces étapes critiques du processus de fabrication. Les propriétés des matériaux utilisées dans la production de véhicules nécessitent des soudures légères et de haute qualité, et la nécessité de les produire à un volume élevé entraîne des fabricants de laser à affiner les efforts pour améliorer les systèmes de soudage au laser commercial.
Applications dans la demande
Bien que les itérations des systèmes de soudage laser courants actuels aient été en place depuis environ une décennie, le soudage au laser s'est progressivement amélioré en termes de vitesse et de qualité. Récemment, un changement dans les partages de poids des produits de base - à savoir une utilisation plus élevée de l'aluminium et du cuivre - a élargi les opportunités de soudage au laser, en particulier dans l'espace EV.
Fondamentalement, ce changement et les opportunités qu'il établit souligne les milliers de soudures laser qui sont au cœur de chaque batterie qui est utilisée pour alimenter un EV.
Une application, rejoignant les cellules aux barres de bus, est vitale pour répondre aux exigences électriques strictes pour les véhicules électriques grand public. Une mauvaise connexion peut entraver les performances et la fiabilité efficaces du véhicule ainsi que la sécurité de ses passagers. Les modules de batterie sont produits en rejoignant les cellules de la batterie et en les soudant à l'aide de barres de bus à haute conductivité. Le soudage au laser garantit que les fabricants peuvent fabriquer ces articulations de manière cohérente et de haute qualité.
Les structures cellulaires de ces batteries comprennent trois couches: anodes, séparateur et feuilles de cathode. Les lasers sont une solution établie pour couper ces feuilles, qui jouent un rôle vital pour maintenir les électrodes séparées et atténuer le risque d'un court-circuit. Les mêmes avantages que les lasers offrent à la barre d'autobus - une vitesse élevée, un fonctionnement sans contact et une haute précision - sont également transférés vers cette application. Les avantages supplémentaires incluent une coupe flexible de motifs et une qualité de bord améliorée.
De la coupe des feuilles de séparateur avec un processus de poussière et sans produits chimiques aux doublures de batterie, la barre de bus et les revêtements en épingle à cheveux dans un processus rapide et propre, les lasers sont indispensables dans la production de mobilité électronique en ce qui concerne le traitement des batteries et de leurs matériaux. Pourtant, le soudage au laser s'étend à des processus supplémentaires dans la chaîne de processus de fabrication; Bien que la production de batteries soit une application principale pour le soudage au laser, les fabricants exigent une qualité conjointe exceptionnelle avec un débit élevé et un rendement élevé des pièces. Le soudage au laser répond à ces exigences en tant que processus sans contact très reproductible pour créer des articulations mécaniquement fortes.
Le mariage de la mobilité et des lasers
Markus Kogel-Hollacher, responsable des projets de R&D chez Precitec Group, développeur et fabricant de technologies système pour le traitement des matériaux laser et des capteurs pour le contrôle de la qualité, laisse peu à l'imagination dans son évaluation de la relation entre la mobilité e-mail et les sources laser. "Il n'y a pas de mobilité électronique sans lasers", a déclaré Kogel-Hollacher. De cellule à la voiture, le soudage avec des lasers haute puissance a prouvé son importance dans la production de batteries pour les véhicules électriques.
Les véhicules électriques (EV) et le stockage de puissance utilisent des barres de bus en cuivre épaisses. Le développement et le traitement de ces composants nécessitent des puissances laser élevées et une excellente qualité de faisceau.
La large efficacité de la technique découle de plusieurs avantages distincts. Premièrement, l'utilité que le soudage au laser offre pour rendre les véhicules électriques en poids plus légers contribue à l'efficacité du véhicule fini en optimisant des miles par charge. Le soudage au laser permet aux fabricants de passer des constructions boulonnées à celles soudées qui fournissent les degrés de résistance nécessaires à un poids beaucoup plus léger. Le soudage au laser permet également l'adhésion aux matériaux qui ne pouvaient pas être soudés par des méthodes plus conventionnelles. Les pratiques de fabrication actuelles reposent sur le soudage au laser pour rejoindre des matériaux disparates et différents, notamment en aluminium, en cuivre, en acier à haute résistance et en matériaux renforcés par les fibres.
Pour quantifier le succès que le soudage au laser a connu dans les secteurs de l'automobile et de l'e-mobilité, considérez son influence sur la productivité et la qualité. Les fabricants EV qui ont effectué des soudures laser en 2017, par exemple, ont généralement utilisé des machines qui ont atteint un taux de 60 mm / s pour le soudage à canapé sur les cellules de la batterie prismatique, selon les estimations du fabricant de laser Trumpf Inc. Depuis lors, la vitesse a plus de ponctuation, a déclaré la société, avec des machines de soudure laser actuelles sur le marché atteignant 500 mm / s.
Compte tenu du nombre de soudures dans chaque batterie, l'augmentation des vitesses de soudure peut éliminer les goulots d'étranglement communs et persistants dans les processus de ligne de montage. Les lasers plus avancés d'aujourd'hui peuvent également «souder à la volée» - un processus dans lequel les robots soudent les batteries en un seul mouvement continu. Cela réduit le temps de cycle de 20% à 40%.
Une telle augmentation considérable de la vitesse, dans une période relativement courte, peut suggérer une perte de la qualité globale de la soudure. Cependant, selon les données de Travis STEMPKY, responsable des applications laser pour Trumpf Inc., les soudures que les modèles de marché actuels effectuent ont un taux de rendement amélioré de 99% ou plus depuis 2017.
Cette double amélioration est cruciale pour les fabricants réalisant et maintiennent les économies de coûts.
"Si vous combinez cette amélioration de la productivité et cette amélioration de la qualité, nous pouvons calculer les économies de coûts", a déclaré Pierson Cheng, responsable de l'industrie des batteries pour Trumpf Inc. selon Cheng, les nouveaux systèmes de soudage laser permettent aux pièces de produire en masse, y compris des batteries et des voitures, à un rythme cohérent. Cela répond à la nécessité de fabricants de produire rapidement des volumes élevés de véhicules sans sacrifier la qualité.
La réduction des déchets, réalisée par une utilisation plus efficace des matériaux, est une considération supplémentaire, à la fois pour la production et la qualité ainsi que les économies de coûts. La réduction de la ferraille permet aux fabricants d'économiser de l'argent et réduit leur dépendance à l'égard d'autres industries qui pourraient autrement être appelées à fournir ces matériaux.
Pravin Sievi, chef de produit senior pour les systèmes de traitement laser à distance chez Scansonic, a déclaré que les avantages de performance que le soudage laser actuel offre aux processus de fabrication sont dynamiques. Cela, a-t-il dit, rend difficile la considération de processus avancés désormais utilisés dans les milieux de fabrication comme soudage conventionnel ou soudage dans un sens traditionnel.
"Dans les batteries, la plupart des alliages utilisés ne développent pas un articulation cristalline après la solidification", a déclaré Sievi. «En raison des matériaux différents, nous ne« soudons plus », mais il se consolide plutôt dans quelque chose qui ressemble à un sac Ziploc. Pour pouvoir faire le Ziploc, nous faisons fondre beaucoup moins de matériau, avec de très petits diamètres de focus. Et il tient de ce genre.
Systèmes et solutions
Pour les fabricants de batteries, les lasers IR à haute puissance, avec des pouvoirs allant de 3 à 8 kW et les valeurs de produit des paramètres de faisceau dans la plage de 2 à 4 mm MRAD sont des choix populaires. Les fabricants de véhicules électriques associent généralement ces lasers avec des mécanismes d'optimisation de faisceau ajoutés pour fournir la puissance et la vitesse nécessaires à la production EV.
Scellant le boîtier de batterie prismatique nécessite un soudage sans éclaboussures, une stabilité de processus et une soudure étanche sans pores, fissures ou flambage de couture indésirable(haut). Pour produire des cellules de batterie prismatique, les fabricants peuvent déployer des lasers opérant dans les bandes IR et / ou visibles (en bas).
Les fabricants optent également pour des sources visibles, en particulier pour le soudage électronique. Plus précisément pour cette application, les ingénieurs favorisent les lasers verts. Ces lasers peuvent atteindre des niveaux de puissance comparables à ceux de leurs homologues IR tout en minimisant les éclaboussures et en réalisant une pénétration cohérente de la soudure. Plus largement, les lasers verts et bleus se sont avérés adaptés aux matériaux différents, tels que l'aluminium et le cuivre, car l'absorptivité de la longueur d'onde plus courte entraîne des soudures plus propres.
Les lasers opérant à la fois dans l'IR et la visible sont utilisés pour produire des cellules de batterie prismatique. Les lasers pour cette application génèrent 40 cellules de batterie par minute. Cela se compare à huit parties par minute plus tôt cette décennie, comme estimé par le fabricant de laser Trumpf Inc.
Et, en utilisant des lasers à mode unique, a déclaré Sievi, les fabricants travaillent généralement avec un champ de mode, par exemple, 15 µm avec un diamètre de mise au point de 60 à 70 μm. Ces petites poutres offrent l'avantage d'une zone réduite avec la chaleur.
Une telle précision nécessite une optique et des appareils avancés qui peuvent numériser, entraîner et positionner les éléments de soudage tout en travaillant en synchronisation avec la source laser sur une échelle de temps microseconde. La communication entre les lasers et l'optique de soudage garantit la cohérence et la qualité à l'échelle de masse nécessaire pour soutenir la fabrication du volume.
Ailleurs, ultrashort-impulse et CO2Les lasers se sont révélés être des options idéales pour la mise en forme des cellules de la batterie et le raffinement électronique des composants. Plusieurs sociétés laser ont développé ces solutions et offrent désormais des lasers dans ces classes pour répondre aux demandes croissantes qu'ils voient des constructeurs automobiles.
La structuration de surface laser est une technologie prometteuse pour améliorer la durée de vie et les performances des électrodes de batterie. Avec une grande précision, des processus sans contact et une vitesse, il s'agit d'un candidat viable pour la production de batterie à grande échelle. Luxinar, développeur de CO2Des sources laser allant jusqu'à 1000 W ainsi que des sources laser à impulsion ultra-col, s'attend à ce que ces lasers jouent un rôle important dans l'avenir du développement de la batterie.
«La technologie des batteries aujourd'hui consiste à augmenter la densité de puissance, et les processus laser sont développés pour faire avancer cela», a déclaré Yannick Galais, directeur des ventes de Luxinar.
«Aux densités élevées de puissance pendant les processus de charge ou de décharge rapide, la séparation du lithium est actuellement un problème. La structuration de surface laser fémtoseconde utilise des impulsions ultra-espèces de lumière laser pour introduire des micropores dans la couche active des électrodes de batterie, atténuant ainsi le problème. »
Pousser le soudage au laser
En plus des gains d'efficacité inégalés, plusieurs autres conducteurs facilitent l'utilisation des processus laser dans l'e-mobilité. Selon STEMPKY, aucun n'est plus prolifique que la poussée pour des soudures de haute qualité et cohérentes, qui sont des besoins persistants pour les fabricants.
"Alors que nous allons à des volumes de plus en plus élevés, comment augmenter le taux de rendement [avec] moins de taux, [et] comment nous assurons-nous que nous obtenons de bonne qualité sans tester chaque soudure que nous [performons], nous devons poser", a déclaré STEMPKY. «Le laser est un outil très reproductible.»
La répétabilité est particulièrement importante car les volumes de production que les consommateurs exigent que les fabricants stimulent la nécessité d'une augmentation du soudage au laser. Simultanément, les nouveaux modèles s'appuient souvent fortement sur le soudage au laser pour effectuer les opérations nécessaires qui ne peuvent pas être complétées par d'autres moyens. "Un exemple est le soudage en papier d'aluminium des batteries elles-mêmes", a déclaré Cheng. «Traditionnellement, ce sont une partie soudée par ultrasons. Mais il y a une limitation à l'épaisseur de cette pile de papier d'aluminium avec un soudage à ultrasons. »
Les sources laser utilisées pour modifier les propriétés des matériaux sont largement utilisées dans et pour le soudage au laser pour optimiser le processus lui-même et assurer les résultats cibles des soudures(haut). En utilisant l'exemple d'un stator avec épingles à cheveux, 16 champs de vue et quatre champs de balayage sont créés. Les épingles à cheveux peuvent être fabriquées de cette manière en une étape de travail (en bas)
"Ainsi, comme les entreprises veulent fabriquer plus de cellules de batterie compactes et faire de chaque batterie elle-même un taux de charge un peu plus élevé, ils veulent aller [avec] plus de piles et de lasers en aluminium, ce qui leur permet d'aller à un soudage de pile d'aluminium plus élevé."
Automatisation et AI
Les progrès technologiques majeurs ont rendu le soudage au laser plus puissant, plus précis et plus adaptable au cours des cinq dernières années.
Pourtant, selon STEMPKY, l'amélioration des perspectives du soudage au laser pour l'automatisation, plutôt que des améliorations de la force, est susceptible de caractériser l'orientation future de ce processus laser.
"L'avenir est tout lié à une surveillance de la qualité", a déclaré STEMPKY. «La technologie est venue très loin, mais comment l'utiliser pour un regard en ligne sur la qualité? Comment utilisons-nous des lasers pour détecter les défauts de nos soudures et utiliser l'automatisation et l'IA pour s'adapter à la volée? »
Selon STEMPKY, la qualité de la soudure est mesurée par la profondeur de soudure, la largeur de l'interface de soudure et la conductivité électrique à travers l'articulation. L'IA, a-t-il dit, peut aider à évaluer ces mesures rapidement et avec précision. Et, selon STEMPKY, les lasers et l'automatisation vont de pair en raison de la précision des types de processus dans lesquels ils sont utilisés. Bientôt, l'IA peut être en mesure d'aider non seulement à détecter les défauts et les défauts, mais aussi la programmation des lasers pour les corriger en temps réel. Déjà, l'IA peut détecter une soudure qui ne répond pas aux normes de qualité, alertant un technicien qu'une correction est nécessaire.
«Bien que l'accent soit mis aujourd'hui sur l'amélioration de la densité énergétique, la réduction des coûts et le développement de chimiques alternatives, l'automatisation et l'IA joueront un rôle important dans la production d'EV, en particulier dans les technologies laser, qui sont essentielles pour la fabrication de précision», a déclaré Galais.
Le contrôle du processus basé sur l'IA pourrait améliorer la coupe laser des géométries complexes dans les électrodes de batterie, garantissant une précision élevée et des déchets minimaux en ajustant les paramètres en temps réel. Cela garantit une qualité optimale et réduit les erreurs ou les défauts, ce qui est particulièrement important lorsqu'il s'agit de la production de batterie à haut volume.
Les systèmes d'IA pourraient également surveiller les machines laser en temps réel, en prédisant quand la maintenance est nécessaire pour empêcher les temps d'arrêt. Cela permet à la ligne de production de se déplacer efficacement, en particulier dans la fabrication de batteries à grande échelle pour les véhicules électriques.
Selon Galais, «dans [le] avenir proche, nous pourrions envisager que les modèles d'IA pourraient analyser les données de la production pour améliorer la façon dont les lasers interagissent avec différents matériaux, ajustant dynamiquement des chemins de coupe ou des paramètres. Cela conduirait à une efficacité plus élevée, à une consommation d'énergie réduite et à une meilleure utilisation des matériaux. »
Soudage laser sans limite
Alors que la demande pousse la production d'EV, le soudage au laser continue de faire partie intégrante de la fabrication. Pour de nombreuses applications, dont beaucoup en dehors du domaine de l'assemblage de la batterie et de la production de véhicules électriques, il est probable que le soudage au laser restera soit un processus optimal.
En fait, il est probable que de nombreux processus de fabrication au laser et au laser survivront à l'ère de la mobilité électronique. Si les infrastructures nécessaires ne progressent pas au même rythme que la production de véhicules électriques, les fabricants peuvent envisager d'allouer du temps et des ressources pour le développement d'automobiles à hydrogène ou à piles à combustible. Quelle que soit la source d'alimentation, le soudage au laser est tenu de jouer un rôle essentiel.
