Los vehículos eléctricos conducen la necesidad de avanzar en la soldadura por láser
Los vehículos eléctricos conducen la necesidad de avanzar en la soldadura por láser
La producción de vehículos eléctricos requiere que los ingenieros completen varios procesos de fabricación cruciales. La soldadura con láser es esencial para lograr los resultados del objetivo a altos rendimientos.
Propulsado por una legislación que tiene como objetivo acelerar la adopción de vehículos eléctricos (EV), los fabricantes de automóviles de todo el mundo enfrentan crecientes presiones para aumentar la producción. Japón, Canadá y el Reino Unido se encuentran entre las potencias mundiales que ya han promulgado políticas que requerirán que todos los autos nuevos en el mercado sean eléctricos para 2035. En los Estados Unidos, los estados individuales se encuentran en varias etapas de implementación de mandatos EV, señalando aún más una próxima ola de tecnologías de mobilización electrónica.
En la fabricación de vehículos eléctricos (EV), las placas bipolares de soldadura por láser, los contactos de batería, las horquillas y los enfriadores de superficie para bandejas para el automóvil son procesos esenciales.
Aunque los primeros usuarios tienen muchas opciones para esta tecnología de próxima generación, no todos los consumidores están preparados para hacer el cambio a los EV. Las preocupaciones sobre la duración de la batería, la falta de infraestructura de carga establecida y una falta de familiaridad básica se encuentran entre los factores que unen a muchos posibles compradores de EV a vehículos con gasolina.
Estas consideraciones no abordan la preocupación final que enfrenta a los consumidores. Si los EV deben ganarse a los escépticos, los campeones de la tecnología deben convencer a los conductores de que los EV cumplirán con objetivos de costos asequibles.
Para los fabricantes de EV, la soldadura por láser es una práctica vital, que permite unir materiales diferentes, facilitar el procesamiento de piezas más ligeras y agregar niveles de precisión necesarios para varios pasos de producción distintos. Además de ser un método de alta calidad para producir estos vehículos, la soldadura por láser también ayuda a reducir los costos al eliminar los desechos y mejorar la eficiencia del vehículo. Las capacidades de soldadura actuales permiten a los fabricantes evitar el uso de materiales de relleno que ciertas aplicaciones requieren y usar menos materiales en general como resultado.
Sin embargo, con estas ventajas, algunas compañías, en varias posiciones en la cadena de producción de fabricación de EV, exigen más de los sistemas que permiten estos pasos críticos del proceso de fabricación. Las propiedades de los materiales utilizados en la producción de vehículos requieren soldaduras ligeras y de alta calidad, y la necesidad de producirlos a alto volumen está impulsando a los fabricantes láser para refinar los esfuerzos para mejorar los sistemas comerciales de soldadura láser.
Aplicaciones dentro de la aplicación
Aunque las iteraciones de los sistemas de soldadura láser comunes actuales han estado en su lugar durante aproximadamente una década, la soldadura por láser ha mejorado progresivamente en términos de velocidad y calidad. Recientemente, un cambio en el peso de los productos básicos, a saber, un mayor uso de aluminio y cobre, ha ampliado oportunidades para la soldadura por láser, especialmente en el espacio de EV.
Fundamentalmente, este cambio y las oportunidades que establece subraya las miles de soldaduras láser que están en el corazón de cada batería que se utiliza para alimentar un EV.
Una aplicación, que une las celdas a las barras de bus, es vital para cumplir con los estrictos requisitos eléctricos para los EV de los consumidores. Una mala conexión puede obstaculizar el rendimiento efectivo y la confiabilidad del vehículo, así como la seguridad de sus pasajeros. Los módulos de la batería se producen uniendo celdas de batería y soldándolas con barras de bus de alta conductividad. La soldadura con láser asegura que los fabricantes puedan fabricar estas articulaciones de manera consistente y de alta calidad.
Las estructuras celulares de estas baterías comprenden tres capas: anodo, separador y láminas de cátodo. Los láseres son una solución establecida para cortar estas láminas, que juegan un papel vital para mantener los electrodos separados y mitigar el riesgo de un cortocircuito. Los mismos beneficios que los láseres entregan a la unión de la barra de autobuses (alta velocidad, operación sin contacto y alta precisión) también se transfieren a esta aplicación. Los beneficios adicionales incluyen corte de patrones flexible y calidad de borde mejorada.
Desde cortar láminas separadoras con un polvo y un proceso sin químicos hasta ablanar las tripas de la batería, la barra de bus y los recubrimientos de horquilla en un proceso rápido y limpio, los láseres son indispensables en la producción de movilidad electrónica en relación con el procesamiento de baterías y sus materiales. Aún así, la soldadura con láser se extiende a procesos adicionales en la cadena de procesos de fabricación; Si bien la producción de baterías es una aplicación líder para soldadura por láser, los fabricantes exigen una calidad de articulación excepcional con alto rendimiento y un alto rendimiento de piezas. La soldadura con láser cumple con estos requisitos como un proceso sin contacto altamente repetible para crear articulaciones mecánicamente fuertes.
El matrimonio de la movilidad electrónica y los láseres
Markus Kogel-Hollacher, jefe de proyectos de I + D en Precitec Group, desarrollador y fabricante de tecnología de sistemas para el procesamiento de materiales láser y los sensores para el control de calidad, deja poco a la imaginación en su evaluación de la relación entre las fuentes electrónicas y las fuentes láser. "No hay movilidad electrónica sin láseres", dijo Kogel-Hollacher. Desde la celda hasta el automóvil, la soldadura con láseres de alta potencia ha demostrado su importancia en la producción de baterías para los vehículos eléctricos.
Los vehículos eléctricos (EV) y el almacenamiento de energía utilizan barras gruesas de autobuses de cobre. El desarrollo y el procesamiento de estos componentes requieren poderes láser altos y una excelente calidad de haz.
La amplia eficacia de la técnica proviene de varias ventajas distintas. Uno, la utilidad que ofrece la soldadura por láser para hacer que los EV de peso más ligero contribuyan a la eficiencia del vehículo terminado al optimizar millas por carga. La soldadura con láser permite a los fabricantes cambiar de construcciones atornilladas a soldadas que proporcionan los grados de resistencia necesarios a un peso mucho más ligero. La soldadura con láser también permite unir materiales que no podrían ser soldados por métodos más convencionales. Las prácticas de fabricación actuales dependen de la soldadura por láser para unir materiales dispares y diferentes, incluidos aluminio, cobre, acero de alta resistencia y materiales reforzados con fibra.
Para cuantificar el éxito que ha tenido la soldadura por láser en los sectores automotriz y de modificación electrónica, considere su influencia en la productividad y la calidad. Los fabricantes de EV que realizaron soldaduras con láser en 2017, por ejemplo, típicamente utilizaban máquinas que alcanzaban una tasa de 60 mm/s para la soldadura por CAP CAP en las celdas de batería prismática, según las estimaciones del fabricante de láser Trumpf Inc. desde entonces, la velocidad ha más que octUplsed, dijo la compañía, con máquinas de soldadura láser actuales en el mercado que alcanzan hasta 500 mm/s.
Teniendo en cuenta el número de soldaduras en cada paquete de baterías, aumentar las velocidades de soldadura puede eliminar los cuellos de botella comunes y persistentes en los procesos de línea de ensamblaje. Los láseres más avanzados de hoy también pueden "soldar sobre la mosca", un proceso en el que los robots soldan baterías en un movimiento continuo. Esto reduce el tiempo del ciclo en cualquier lugar del 20% al 40%.
Un aumento tan considerable en la velocidad, en un período relativamente corto, puede sugerir una pérdida para la calidad general de la soldadura. Sin embargo, según los datos de Travis Stempky, jefe de aplicaciones láser para Trumpf Inc., las soldaduras que realizan los modelos de mercado actuales tienen una tasa de rendimiento mejorada del 99% o más desde 2017.
Esta doble mejora es crucial para los fabricantes que logran y mantienen ahorros de costos.
"Si combina esta mejora de la productividad y la mejora de la calidad, podemos calcular el ahorro de costos", dijo Pierson Cheng, gerente de la industria de la batería de Trumpf Inc., según Cheng, los nuevos sistemas de soldadura con láser permiten que las piezas se produzcan en masa, incluidas las baterías y los automóviles, a un ritmo consistente. Esto satisface la necesidad de fabricantes para producir altos volúmenes de vehículos rápidamente sin sacrificar la calidad.
La reducción de residuos, lograda por un uso más eficiente de los materiales, es una consideración adicional, tanto para la producción como para la calidad como para el ahorro de costos. Reducir el material de desecho ahorra dinero a los fabricantes y reduce su dependencia de otras industrias que de otro modo podrían ser llamadas a proporcionar estos materiales.
Pravin Sievi, gerente de productos senior de sistemas de procesamiento de láser remotos en Scansonic, dijo que las ventajas de rendimiento que entrega la soldadura láser actual a los procesos de fabricación son dinámicas. Esto, dijo, hace que sea difícil considerar los procesos avanzados ahora utilizados en los entornos de fabricación como soldadura convencional, o soldadura en un sentido tradicional.
"En las baterías, la mayoría de las aleaciones usadas no desarrollan una articulación cristalina después de solidificar", dijo Sievi. “Debido a los materiales diferentes, ya no estamos 'soldando', sino que se está solidificando dentro de algo que se asemeja a una bolsa Ziploc. Para poder hacer el Ziploc, estamos derritiendo mucho menos material, con diámetros de enfoque muy pequeños. Y se está manteniendo de esta manera ".
Sistemas y soluciones
Para los fabricantes de baterías, los láseres IR de alta potencia, con poderes que van de 3 a 8 kW y los valores de productos de parámetros de haz en el rango de 2 a 4 mm MRAD son opciones populares. Los fabricantes de EV comúnmente combinan estos láseres con mecanismos de optimización del haz adicional para ofrecer la potencia y la velocidad necesarias para la producción de EV.
El sellado de la carcasa de la batería prismática requiere soldadura sin salpicaduras, estabilidad del proceso y una soldadura que sea moderna sin poros, grietas o pandeo de costura no deseada(arriba). Para producir celdas de batería prismática, los fabricantes pueden desplegar láseres que funcionan en las bandas IR y/o visibles (abajo).
Los fabricantes también optan por fuentes visibles, especialmente por soldadura electrónica. Específicamente para esta aplicación, los ingenieros favorecen los láseres verdes. Estos láseres pueden alcanzar niveles de potencia comparables a los de sus contrapartes IR al tiempo que minimizan las salpicaduras y logran una penetración de soldadura constante. En general, los láseres verdes y azules han demostrado ser adecuados para soldar materiales diferentes, como aluminio y cobre, porque la absorción de la longitud de onda más corta da como resultado soldaduras más limpias.
Los láseres que operan tanto en IR como en visibles se utilizan para producir celdas de batería prismática. Los láseres para esta aplicación generan 40 celdas de batería por minuto. Esto se compara con ocho partes por minuto antes de esta década, según lo estimado por el fabricante de láser Trumpf Inc.
Y, utilizando láseres de modo único, dijo Sievi, los fabricantes comúnmente trabajan con un campo de modo de, por ejemplo, 15 µm con un diámetro de enfoque de 60 a 70 μm. Estas pequeñas vigas ofrecen la ventaja de una zona reducida de calor afectado.
Dicha precisión requiere óptica y dispositivos avanzados que pueden escanear, conducir y colocar elementos para soldar mientras trabajan en sincronización con la fuente de láser en una escala de tiempo de microsegundos. La comunicación entre los láseres y la óptica de soldadura garantiza la consistencia y la calidad en la escala de masa necesaria para respaldar la fabricación de volumen.
En otro lugar, Ultrashort-Pulse y Co2Los láseres han demostrado ser opciones ideales para la configuración de la celda de batería y el refinamiento de componentes electrónicos. Múltiples compañías láser han desarrollado estas soluciones, y ahora ofrecen láseres en estas clases para satisfacer las crecientes demandas que están viendo de los fabricantes de automóviles.
La estructuración de superficie láser es una tecnología prometedora para mejorar la vida útil y el rendimiento de los electrodos de la batería. Con gran precisión, procesos sin contacto y velocidad, es un candidato viable para la producción de baterías a gran escala. Luxinar, un desarrollador de CO2Fuentes láser de hasta 1000 W, así como las fuentes láser ultrashort-pulso, espera que estos láseres jueguen un papel importante en el futuro del desarrollo de la batería.
"La tecnología de la batería hoy en día se trata de aumentar la densidad de potencia, y los procesos láser se están desarrollando para avanzar esto", dijo Yannick Galais, director de ventas de Luxinar.
“A densidades de alta potencia durante los procesos de carga rápida o descarga, la separación de litio es actualmente un problema. La estructuración de la superficie del láser de femtosegundo utiliza pulsos de ultrahort de luz láser para introducir microporos en la capa activa de los electrodos de la batería, mitigando así el problema ”.
Presionando por soldadura por láser
Además de las ganancias de eficiencia incomparables, varios otros conductores están facilitando el uso de procesos láser en la movilidad electrónica. Según Stempky, ninguno es más prolífico que el impulso de soldaduras de alta calidad y consistentes, que son necesidades persistentes para los fabricantes.
"A medida que vamos a volúmenes más altos y más altos, ¿cómo aumentamos la tasa de rendimiento [con] menos tasa de desecho, [y] cómo nos aseguramos de estar obteniendo buena calidad sin probar cada soldadura que estamos [desempeñando], son preguntas que debemos hacer", dijo Stempky? "El láser es una herramienta que es muy repetible".
La repetibilidad es especialmente importante porque los volúmenes de producción que la demanda de los consumidores coloca en los fabricantes impulsan la necesidad de una mayor soldadura por láser. Simultáneamente, los nuevos diseños a menudo se inclinan fuertemente en la soldadura por láser para realizar las operaciones necesarias que no pueden completarse por otros medios. "Un ejemplo es la soldadura de aluminio de las baterías mismas", dijo Cheng. “Tradicionalmente, estos son una parte soldada ultrasónicamente. Pero hay una limitación al grosor de esa pila de lámina con soldadura ultrasónica ".
Las fuentes láser utilizadas para alterar las propiedades del material se utilizan ampliamente en y para soldar láser para optimizar el proceso en sí, así como para garantizar los resultados del objetivo para las soldaduras.(arriba). Usando el ejemplo de un estator con horquillas, se crean 16 campos de visión y cuatro campos de escaneo. Las horquillas se pueden fabricar de esta manera en un paso de trabajo (abajo)
"Por lo tanto, a medida que las empresas quieren hacer celdas de batería más compactas y hacer que cada batería misma sea un poco más alta en la tasa de carga, quieren ir [con] más pilas y láseres de aluminio, lo que les permite ir a una soldadura de pila de aluminio más alta".
Automatización y IA
Los principales avances tecnológicos han hecho que la soldadura con láser sea más poderosa, más precisa y más adaptable en los últimos cinco años.
Aún así, según Stempky, es probable que la mejora de las perspectivas de soldadura por láser para la automatización, en lugar de mejoras a la fuerza, caracterice la dirección futura de este proceso láser.
"El futuro está relacionado con el monitoreo de calidad", dijo Stempky. “La tecnología ha llegado muy lejos, pero ¿cómo lo usamos para una mirada en línea a la calidad? ¿Cómo usamos los láseres para detectar fallas en nuestras soldaduras y usar automatización e IA para ajustar la mosca?
Según Stempky, la calidad de la soldadura se mide a través de la profundidad de la soldadura, el ancho de la interfaz de soldadura y la conductividad eléctrica a través de la junta. La IA, dijo, puede ayudar a evaluar estas medidas de manera rápida y precisa. Y, según Stempky, los láseres y la automatización van de la mano debido a la precisión de los tipos de procesos en los que se utilizan. Pronto, la IA puede ayudar no solo a detectar fallas y defectos, sino también programar láseres para corregirlos en tiempo real. La IA ya puede detectar una soldadura que no cumple con los estándares de calidad, alertando a un técnico de que se necesita una corrección.
"Si bien el enfoque actual está en mejorar la densidad de energía, reducir los costos y desarrollar químicas alternativas, la automatización y la IA desempeñarán un papel importante en la producción de EV, particularmente en tecnologías láser, que son vitales para la fabricación de precisión", dijo Galais.
El control de procesos impulsado por la IA podría mejorar el corte láser de geometrías complejas en electrodos de batería, asegurando una alta precisión y desechos mínimos al ajustar los parámetros en tiempo real. Esto garantiza una calidad óptima y reduce los errores o defectos, lo cual es particularmente importante cuando se trata de la producción de baterías de alto volumen.
Los sistemas de IA también podrían monitorear la maquinaria láser en tiempo real, prediciendo cuándo se necesita mantenimiento para evitar el tiempo de inactividad. Esto mantiene la línea de producción en movimiento de manera eficiente, especialmente en la fabricación de baterías a gran escala para los vehículos eléctricos.
Según Galais, “en [el] futuro cercano, podríamos imaginar que los modelos de IA podrían analizar los datos de la producción para mejorar la forma en que los láseres interactúan con diferentes materiales, ajustando dinámicamente las rutas de corte o los parámetros. Esto conduciría a una mayor eficiencia, un consumo de energía reducido y una mejor utilización del material ".
Soldadura láser ilimitada
A medida que la demanda empuja la producción de EV, la soldadura por láser continúa desempeñando un papel integral en la fabricación. Para numerosas aplicaciones, incluidas muchas fuera del ámbito del ensamblaje de la batería y la producción de EV, es probable que la soldadura por láser permanezca o se convierta en un proceso óptimo.
De hecho, es probable que muchos procesos de fabricación basados en láser y habilitados con láser durmen la época de la movilidad electrónica. Si las infraestructuras necesarias no progresan a la misma velocidad que la producción de EV, los fabricantes pueden considerar asignar tiempo y recursos para el desarrollo de automóviles con pilas de combustible o con pilas de combustible. Independientemente de la fuente de energía, la soldadura con láser desempeñará un papel fundamental.
