Jak laser TRUMPF ogrzewa samochód elektryczny

Jeśli kupują Państwo nowy pojazd elektryczny, to nie zaprzątają sobie Państwo głowy tym, czy ogrzewanie działa – to wymóg. W samochodzie elektrycznym ogrzewanie zapewnia komfort i wolne od lodu, przejrzyste szyby. Ponadto poprawia sprawność akumulatora, który preferuje określone temperatury. 

Silniki elektryczne nie produkują podczas jazdy marnotrawionego ciepła odlotowego, jak silniki spalinowe. To oznacza, że pojazd wymaga w każdym przypadku samodzielnego ogrzewania dodatkowego o odpowiedniej mocy. Za pomocą prądu akumulatora ogrzewane jest medium nośne, klasyczna woda chłodząca lub olej akumulatora, co zapewnia przyjemne ciepło. Podobnie jak w przypadku wszystkich innych komponentów, im bardziej kompaktowy i lżejszy system ogrzewania, tym lepiej. Niemiecki producent Webasto trzyma rękę na pulsie w kwestii tych kryteriów. 

A dzięki nowemu systemowi ogrzewania wysokonapięciowego, lider rynku technologii ogrzewania samochodowego poszedł jeszcze dalej. Dostosowany do różnych napięć sieci pokładowych i z bezstopniową regulacją mocy przyczynia się także do stabilizacji sieci pokładowej. Trzy zastosowania lasera umożliwiają ten innowacyjny design produktu i jego wyjątkowe właściwości. 

Jörn Schmalenberg jest odpowiedzialny za inżynierię produkcji grzejników elektrycznych w zakładzie w Neubrandenburgu. Powstaje tam 95 procent komponentów ogrzewana w portfolio produktów dostawcy motoryzacyjnego – zarówno do silników spalinowych, jak i do samochodów elektrycznych. Są to miliony sztuk, które Webasto produkuje za pomocą niezawodnych laserów wysokoenergetycznych, a następnie rozsyła na cały świat. „Podstawowa zasada systemów ogrzewania do samochodów elektrycznych jest wszystkim znana: wymiennik ciepła ogrzewa płyn, który jest rozprowadzany przez przewody grzewcze. Woda chłodząca i wysokie napięcie nie są kompatybilne. Dlatego bezwzględnie koniecznie należy dopilnować, aby obudowa naszego systemu ogrzewania była absolutnie szczelna i aby nie wyciekał żaden płyn”.  

Webasto wykorzystuje lekką obudowę z ciśnieniowego odlewu aluminium. Aby szczelnie spawać to tworzywo, klasyczne spawanie wiązką elektronów w wysokiej próżni byłoby o wiele za wolne i za drogie. Z tego względu przedsiębiorstwo zajmujące się zastosowaniami lasera wykorzystuje laser dyskowy, który pracuje pod ciśnieniem atmosferycznym bez gazu ochronnego. I to całkiem szybko i wydajnie, bo: sednem jest spoina bez porów. Jeśli laser pracuje mało wydajnie, w topiącym się tworzywie podstawowym mogą tworzyć się i zbierać pory – obudowa przecieka. „Stawiamy trochę na metodę drewnianego młota z 16-kilowatowym modułem TruDisk i nie dajemy czasu pęcherzykom gazu na powstawanie”.

Decydującą kwestią jest wytworzenie przez laser jak największego kanału parowego. „Wysoka moc lasera zapewnia stabilność kanału parowego. Zasada jest taka, że wiele pomaga wielu”, mówi Schmalenberg. Obecnie firma Webasto jest z tego bardzo zadowolona, ale sprawdza wartość dodaną nowego wieloogniskowego układu optycznego do tego zastosowania. Dzieli on również promień lasera na cztery pojedyncze plamy. Tworzą one czworokąt i są umieszczone tak, aby ich promienie działania zachodziły na siebie i powstał odpowiednio duży kanał parowy. Moc lasera dzieli się tu równomiernie na całą powierzchnię czynną. Kanał parowy pozostaje stale otwarty, nic się nie zapada, nie ma porów procesowych. 

Po gazoszczelnym zespawaniu obudowy Webasto łączy elementy grzewcze. Do uporządkowanego przepływu prądu, potrzebna jest miedź. „Łączone elementy, takie jak używana miedź, są jednak w dużej mierze odblaskowe, co ogromnie utrudnia spawanie laserem”. Podobnie jak w przypadku ogniw baterii, system ogrzewania Webasto nie reaguje dobrze na głębokie spoiny, które mogłyby naruszyć inne warstwy. „Dlatego musimy być w stanie precyzyjnie regulować głębokość spawania lasera. Nie mogliśmy się rozwijać z klasycznym laserem na podczerwień”, wyjaśnia Schmalenberg.

Długość zielonej fali laserów TRUMPF ma większy stopień absorpcji w miedzi. Dzięki odpowiedniej sekwencji impulsów, głębokości spawania mogą być osiągane z ekstremalną dokładnością powtórzeń – bez rozprysków i bez gazu ochronnego. TruDisk Pulse 421 jest w stanie to osiągnąć z mocą czterech kilowatów przy czasie impulsu w zakresie milisekund. Schmalenberg dodaje: „Nie mieliśmy ani jednej usterki przy kilku milionach elementów, a ogólnie wszystko działa znacznie płynniej. Jeżeli chodzi o spawanie miedzi, nie robimy nic innego: konsekwentnie polegamy na zielonych systemach impulsowych. Podczerwień jest passé”.

Gdy firma Webasto jest zadowolona z pracy z miedzią, należy nadać kształt właściwym elementom grzewczym. Tu pierwsze skrzypce gra specjalnie zaprojektowana technologia cienkowarstwowa: Webasto nie wyznacza torów, ale wprowadza strukturę po prostu bezpośrednio do cienkiej warstwy metalu. Dzięki temu system ogrzewania jest maksymalnie płaski. „Chodzi o maksymalną precyzję podczas laserowego procesu strukturyzacji materiału, aby laser nie działał zbyt głęboko i nie penetrował warstw znajdujących się pod spodem”, wyjaśnia Schmalenberg, który stawia w tej kwestii na laser o ultrakrótkim czasie impulsu TruMicro. „Podczas laserowego procesu strukturyzacji zależy nam na czystym ubytku i precyzyjnych krawędziach. Nie może dochodzić do stopienia materiału, aby nie ryzykować błędów produktów. Lasery o ultrakrótkim czasie impulsu przekształcają materiał bezpośrednio ze stanu stałego w stan gazowy, dzięki czemu pożądana płaska konstrukcja produktu jest możliwa w pierwszej kolejności”. 

Jeśli system ogrzewania jest super płaski, może być zamontowany także całkiem w pobliżu komponentów przewodzących wodę chłodzącą. „Ze względu na bliskość przestrzenną mamy bardzo krótki czas reakcji, aby wprowadzić ciepło do wody. Dzięki specjalnej konstrukcji, moc grzewcza może być regulowana niemal bezstopniowo – zarówno przy napięciu 400 V, jak i 800 V. Przed nami nikomu nie udało się tego dokonać“, mówi z dumą Schmalenberg. Dodatkowo ogrzewanie działa przy szczytach naprężeń jak mały kondensator i przyczynia się także do stabilizacji sieci pokładowej w pojeździe elektrycznym. 

Dla przedsiębiorstwa takiego jak Webasto, które produkuje w Niemczech, kraju o wysokich płacach, niezbędny jest wysoki stopień automatyzacji z wieloma laserami. Jak również wysoki stopień innowacyjności, na przykład dzięki nowym technologiom obróbki laserowej. To sprawia, że firma Webasto jest poszukiwanym graczem na całym świecie. „Mogą być Państwo pewni, że prawie żaden z samochodów elektrycznych produkowanych na całym świecie nie zjedzie z linii produkcyjnej bez najwyższej klasy komponentów elektrotechnicznych od europejskich producentów, takich jak my”.