WO2025036655A1 - Vorrichtung und verfahren zum durchtrennen eines werkstücks mittels eines laserstrahls - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum durchtrennen eines werkstücks mittels eines laserstrahls Download PDF

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WO2025036655A1
WO2025036655A1 PCT/EP2024/070661 EP2024070661W WO2025036655A1 WO 2025036655 A1 WO2025036655 A1 WO 2025036655A1 EP 2024070661 W EP2024070661 W EP 2024070661W WO 2025036655 A1 WO2025036655 A1 WO 2025036655A1
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workpiece
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Oliver BOCKSROCKER
Nicolai Speker
Mauritz Möller
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Trumpf Laser und Systemtechnik SE
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head

Definitions

  • the invention relates to a device for severing a workpiece, in particular a cell connector of a battery cell arrangement, by means of a laser beam with the features of the preamble of claim 1 and a method for severing a workpiece, in particular a cell connector of a battery cell arrangement, by means of a laser beam with the features of claim 10.
  • Battery cells which are used in particular in the automotive industry, can be arranged in a battery cell arrangement and electrically connected to one another.
  • Metal cell connectors are generally used to electrically connect the individual battery cells. When dismantling such a battery arrangement, these cell connectors must be cut in order to separate the individual battery cells from one another.
  • the cell connectors can be cut using a laser.
  • the laser beam can pass through the cutting line and damage the battery cells or their components, which are usually located under the cell connector.
  • a damaged battery cell can be a source of danger (risk of fire and explosion). It is therefore extremely important not to damage the battery cells or their components, which are usually located under the cell connector.
  • the above object is achieved by a device for severing a workpiece by means of a laser beam with the features of claim 1.
  • the workpiece can be a cell connector of a battery cell arrangement.
  • the device comprises a laser device for generating and/or focusing the laser beam.
  • the laser device is designed in such a way that the (generated) laser beam is directed onto the workpiece has a beam diameter of less than or equal to 100 pm (micrometers), in particular less than or equal to 50 pm.
  • the laser device is further configured such that the (generated) laser beam has a divergence which has a half aperture angle of greater than or equal to 80 mrad.
  • the laser beam further has a beam parameter product in the range from 0.38 mm*mrad (millimeters * milliradians) to 16 mm*mrad.
  • the laser device can be set up such that the laser beam has a beam parameter product of 0.6 mm*mrad for a single-mode laser (beam).
  • the laser device can be set up such that the laser beam has a beam parameter product of 6 mm*mrad, in particular 4 mm*mrad, for a multi-mode laser (beam).
  • the cutting can be carried out completely automatically (without manual intervention). This allows a lower heat input compared to other processes (e.g. plasma cutting). In addition, chip formation can be prevented compared to other processes (e.g. milling) (chip-free Cutting through the cell connectors). No foreign substances such as coolants or other operating materials, which must be used in other processes, are required.
  • the beam parameter product (SPP) can be described by the following formula:
  • a is half the aperture angle of the divergence and dO is the beam diameter of the (focused) laser beam on the workpiece.
  • the half-angle of divergence a becomes large when either the beam parameter product (SSP) is large or the beam diameter at the focus dO becomes small.
  • dLLK represents the diameter of the light guide cable and m the image ratio.
  • the beam diameter in the focus dO therefore becomes small when the image ratio in particular becomes small.
  • the magnification ratio m becomes particularly small when the lens focal length f becomes small and/or the collimation focal length fC becomes large.
  • the half-opening angle a or the divergence can be set as desired.
  • the laser device for generating the laser beam can have a laser beam source.
  • the laser beam source can be designed as a pulsed laser beam source.
  • the laser beam source can have a
  • the laser beam source can have a power in a range from 70 W (watts) to 1000 W, in particular in a range from 500 W to 600 W.
  • the laser beam source can in particular have a pulse duration in a range from 3 ns to 2000 ns, in particular in a range from 50 ns to 500 ns.
  • the laser beam source can have a repetition rate in a range from 1 kHz (kilohertz) to 4 MHz (megahertz), in particular in a range from 20 kHz to 80 kHz.
  • the laser device for generating the laser beam can have a laser beam source.
  • the laser beam source can be designed as a fiber laser.
  • the laser beam source can be designed as a single-mode laser.
  • the laser beam source can be designed as a CW (continuous wave) laser.
  • the laser beam source can have a power in a range from 0.5 kW (kilowatts) to 5 kW, in particular in a range from 0.5 kW to 2 kW.
  • the laser beam source designed as a single-mode laser can have a beam quality that has a diffraction index M 2 of less than 1.7.
  • the laser device for generating the laser beam can have a laser beam source.
  • the laser beam source can be designed as a disk laser.
  • the laser beam source can be designed as a multi-mode laser.
  • the laser beam source can be designed as a CW laser.
  • the laser beam source can have a power in a range from 0.5 kW to 24 kW, in particular in a range from 2 kW to 8 kW.
  • the laser beam source can be designed as an infrared laser.
  • the laser beam source designed as an infrared laser can have a wavelength in a range from 800 nm (nanometers) to 1200 nm, in particular from 1030 nm or 1070 nm.
  • the laser beam source can be designed as a laser with a wavelength in the visible range.
  • the laser beam source can be designed as a VIS (visible) laser.
  • the wavelength of the VIS laser can be 551 nm (green).
  • the device can comprise a scanner optics for moving the laser beam over the workpiece.
  • the scanner optics can be designed to move the laser beam at a speed in a range of 10 m/min (meters per minute) to 80 m/min, in particular in a Range from 20 m/min to 60 m/min, over the workpiece.
  • the laser spot can be moved on the workpiece using the scanner optics.
  • the laser beam can be aligned on the workpiece using the scanner optics.
  • the scanner optics can have an imaging ratio in a range of 1:1 to 5:1, in particular in a range of 1.5:1 to 2:1.
  • the device can comprise a fixed optics for the fixed alignment of the laser beam.
  • the laser beam can be moved on the workpiece by moving the workpiece and/or the fixed optics (relative to one another).
  • the fixed optics can comprise a cutting nozzle for aligning and/or focusing the laser beam (on the workpiece).
  • the fixed optics can comprise a gas supply for supplying an (inert) cutting gas.
  • the cutting gas can in particular be nitrogen.
  • the cutting gas can in particular be supplied in the area of the focused laser beam on the workpiece.
  • the fixed optics can have an imaging ratio in a range of 1:1 to 5:1, in particular in a range of 1.5:1 to 2:1. This allows an optimal energy input into the workpiece to be cut by means of a fixed optic.
  • the cutting result can be optimized based on the cutting nozzle and/or the cutting gas.
  • the device can comprise an optical sensor for detecting the position of the laser beam and/or the workpiece.
  • the optical sensor can be camera-based.
  • the optical sensor can be designed as a camera.
  • the optical sensor can be set up to control the position of the laser beam and/or the workpiece.
  • the above object is further achieved by a method for cutting a workpiece by means of a laser beam with the features of claim 10.
  • the workpiece can be a cell connector of a battery cell arrangement.
  • the procedure includes the following steps:
  • the laser beam on the workpiece has a beam diameter of less than or equal to 100 pm, in particular less than or equal to 50 pm.
  • the laser beam also has a divergence with a half aperture angle of greater than or equal to 80 mrad.
  • the laser beam can have a beam parameter product in a range from 0.38 mm*mrad to 16 mm*mrad.
  • the laser beam can have a beam parameter product of 0.6 mm*mrad for a single-mode laser (beam).
  • the laser beam can have a beam parameter product of 6 mm*mrad, in particular 4 mm*mrad, for a multi-mode laser (beam).
  • the cutting can be carried out completely automatically (without manual intervention). This allows a lower heat input compared to other processes (e.g. plasma cutting). In addition, the formation of chips can be prevented compared to other processes (e.g. milling) (chip-free cutting of the cell connectors). No foreign substances are required, e.g. from coolants or other operating materials, which must be used in other processes.
  • the procedure may comprise the step: Moving the laser beam and/or the workpiece to produce a feed (movement) of the laser beam focused on the workpiece.
  • the feed rate can be in a range from 10 m/min to 80 m/min, in particular in a range from 20 m/min to 60 m/min.
  • the procedure may comprise the step:
  • the cutting gas can be in the form of nitrogen.
  • the cutting gas can be supplied in particular into the area of the focused laser beam on the workpiece.
  • the cutting result or the cutting gap can be optimized.
  • the procedure may comprise the step:
  • the position can be determined using an optical sensor.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a battery cell arrangement with a workpiece
  • Fig. 2 is a schematic representation of a device for cutting the workpiece according to Figure 1 and
  • Fig. 3 is a schematic representation of a laser beam generated by means of the device according to Fig. 2.
  • FIG 1 shows a schematic representation of a battery cell arrangement 14 with a workpiece 12.
  • the workpiece 12 is presently designed as a cell connector of the Battery cell arrangement 14 is formed.
  • the battery cell arrangement 14 comprises two battery cells 13 which are electrically connected to one another by means of the workpiece 12.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a device 10 for severing the workpiece 12 according to Figure 1.
  • the device 10 is designed to sever the workpiece 12 by means of a laser beam 16.
  • the device 10 comprises a laser device 18 for generating and/or focusing the laser beam 16.
  • the laser device 18 comprises a laser beam source 24.
  • the laser beam source 24 can be designed as a (ns-) pulsed laser beam source 24.
  • the laser beam source 24 can have a power in a range from 70 W to 1000 W, in particular in a range from 500 W to 600 W.
  • the laser beam source 24 can have a pulse duration in a range from 3 ns to 2000 ns, in particular in a range from 50 ns to 500 ns, and/or a repetition rate in a range from 1 kHz to 4 MHz, in particular in a range from 20 kHz to 80 kHz.
  • the laser beam source 24 can be designed as a fiber laser, in particular a single-mode laser.
  • the laser beam source 24 can have a power in a range from 0.5 kW to 5 kW, in particular in a range from 0.5 kW to 2 kW.
  • the laser beam source 24 designed as a single-mode laser can have a beam quality that has a diffraction index M 2 of less than 1.7.
  • the laser beam source 24 can be designed as a disk laser, in particular a multi-mode laser.
  • the laser beam source 24 can have a power in a range from 0.5 kW to 24 kW, in particular in a range from 2 kW to 8 kW.
  • the laser beam source 24 can be designed as an infrared laser with a wavelength in a range from 800 nm to 1200 nm, in particular from 1030 nm or 1070 nm.
  • the laser beam source 24 can be designed as a laser with a wavelength in the visible range, in particular of 515 nm.
  • the device 10 has a scanner optics 26 for moving the laser beam 16 over the workpiece 12.
  • the scanner optics 26 are designed to move the laser beam 16 over the workpiece 12 at a speed in a range of 10 m/min to 80 m/min, in particular in a range of 20 m/min to 60 m/min.
  • the scanner optics 26 can have an imaging ratio in a range from 1:1 to 5:1, in particular in a range from 1.5:1 to 2:1. Remote cutting of the workpiece 12 can be implemented by means of the scanner optics 26.
  • the device 10 can also comprise a fixed optics for fixed alignment of the laser beam 16.
  • the fixed optics can comprise a cutting nozzle for aligning and/or focusing the laser beam 16.
  • the fixed optics can comprise a gas supply for supplying a cutting gas (e.g. nitrogen), in particular in the area of the focused laser beam 16 on the workpiece 12.
  • a cutting gas e.g. nitrogen
  • the fixed optics can have an imaging ratio in a range from 1:1 to 5:1, in particular in a range from 1.5:1 to 2:1.
  • the device 10 comprises an optical sensor 28.
  • the position of the laser beam 16 and/or the workpiece 12 can be detected or controlled by means of the optical sensor 28.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a laser beam 16 generated by means of the device 10 according to Figure 2.
  • the optical axis 21 of the laser beam 16 is shown in dashed lines.
  • the laser beam direction 23 of the laser beam 16 is indicated in Figure 3 by means of an arrow.
  • the laser beam 16 is focused on the workpiece 12.
  • the focused laser beam has a beam diameter of 20 on the workpiece 12.
  • the beam diameter 20 can be less than or equal to 100 pm, in particular less than or equal to 50 pm.
  • the laser beam 16 has a half
  • the beam parameter product of the laser beam 16 lies in a range from 0.38 mm*mrad to 16 mm*mrad.
  • a laser beam 16 is generated by means of the laser device 18 and focused on the workpiece 12.
  • the laser beam 16 has a beam diameter 20, a beam parameter product and/or a half opening angle 22, as described above.
  • the laser beam 16 and/or the workpiece 12 can be moved in order to generate a feed (movement) of the laser beam 16 focused on the workpiece 12.
  • the feed can be in a range as described above.
  • a cutting gas can be supplied.
  • the cutting gas in particular nitrogen, can be supplied into the area of the focused laser beam 16 on the workpiece 12.
  • It can control the position of the laser beam and/or the workpiece
  • a device 10 shown in Figure 2 (as described above) can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Durchtrennen eines Werkstücks (12), insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung (14), mittels eines Laserstrahls (16) und ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks (12), insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung (14), mittels eines Laserstrahls (16).

Description

Titel : Vorrichtung und Verfahren zum Durchtrennen eines
Werkstücks mittels eines Laserstrahls
Beschreibung
Die Erfindung betri f ft eine Vorrichtung zum Durchtrennen eines Werkstücks , insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung, mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Oberbegri f fs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks , insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung, mittels eines Laserstrahls mit Merkmalen des Anspruchs 10 .
Batteriezellen, die insbesondere in der Automobilindustrie verwendet werden, können in einer Batteriezellenanordnung angeordnet und elektrisch miteinander verbunden werden . Zum elektrischen Verbinden der einzelnen Batteriezellen werden in der Regel Zellverbinder aus Metall eingesetzt . Bei der Demontage einer solchen Batterieanordnung müssen diese Zellverbinder durchgeschnitten werden, um die einzelnen Batteriezellen voneinander trennen zu können .
Das Durchschneiden der Zellverbinder kann mittels eines Lasers durchgeführt werden . Beim Durchschneiden eines Zellverbinders kann der Laserstrahl durch die Schnittfuge hindurchtreten und die meist unter dem Zellverbinder angeordneten Batteriezellen bzw . deren Komponenten beschädigen . Eine beschädigte Batteriezelle kann eine Gefahrenquelle (Brandt- und Explosionsgefahr ) darstellen . Es ist daher äußerst wichtig die meist unter dem Zellverbinder angeordneten Batteriezellen bzw . deren Komponenten nicht zu beschädigen .
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks , insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung, mittels eines Laserstrahls bereitzustellen, wobei eine Beschädigung der in Laserstrahlrichtung hinter dem Werkstück angeordneten Komponenten vermieden wird .
Die obige Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Durchtrennen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Bei dem Werkstück kann es sich um einen Zellverbinder einer Batteriezellenanordnung handeln .
Die Vorrichtung umfasst eine Lasereinrichtung zur Erzeugung und/oder Fokussierung des Laserstrahls . Die Lasereinrichtung ist derart eingerichtet , dass der ( erzeugte ) Laserstrahl auf dem Werkstück einen Strahldurchmesser von kleiner gleich 100 pm (Mikrometer ) , insbesondere von kleiner gleich 50 pm aufweist . Die Lasereinrichtung ist weiter derart eingerichtet , dass der ( erzeugte ) Laserstrahl eine Divergenz aufweist , die einen halben Öf fnungswinkel von größer gleich 80 mrad aufweist . Vorzugsweise weist der Laserstrahl ferner ein Strahlparameterprodukt im Bereich von 0 , 38 mm*mrad (Millimeter * Milliradiant ) bis 16 mm*mrad auf .
Die Lasereinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt von 0 , 6 mm*mrad bei einem Single-Mode-Laser ( Strahl ) aufweist . Die Lasereinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt von 6 mm*mrad, insbesondere 4 mm*mrad, bei einem Multi-Mode Laser ( Strahl ) aufweist .
Hierdurch kann eine ( Laser ) Intensität bereitgestellt werden, die aufgrund des kleinen Laserspots auf der Oberfläche des Werkstücks ausreichend groß ist um dieses zu trennen . Aufgrund der großen Divergenz kann eine ( Laser ) Intensität auf der Oberfläche der im Laserstrahlrichtung hinter dem Werkstück liegenden Batteriezellkomponenten möglichst geringgehalten werden, um diese nicht zu beschädigen . Eine Gefahr von Entflammung von Dämmungsmaterial und/oder Brandt- bzw . Explosionsgefahr der Batteriezellen kann ausgeräumt oder zumindest reduziert werden .
Das Durchtrennen kann vollständig automatisiert ( ohne manuelle Intervention) durchgeführt werden . Dabei kann ein geringerer Wärmeeintrag ggü . anderen Verfahren (bspw . Plasmaschnitt ) erzielt werden . Zudem kann eine Spanentstehung ggü . anderen Verfahren (bspw . Fräsen) verhindert werden ( spanfreies Durchtrennen der Zellverbinder) . Es werden keine Fremdstoffe durch bspw. Kühlmittel oder weitere Betriebsmittel, welche bei anderen Verfahren eingesetzt werden müssen, benötigt.
Das Strahlparameterprodukt (SPP) kann mit der folgenden Formel beschrieben werden:
SPP = a * (dO/2)
Dabei ist a der halbe Öf fnungswinkel der Divergenz und dO der Strahldurchmesser des (fokussierten) Laserstrahls auf dem Werkstück .
Die obige Formel kann wie folgt umgeformt werden: a = SSP / (dO/2)
Der halbe Öf fnungswinkel a der Divergenz wird also groß, wenn entweder das Strahlparameterprodukt (SSP) groß oder der Strahldurchmesser im Fokus dO klein wird. Dabei kann der Strahldurchmesser dO wie folgt definiert werden: dO =dLLK * m
Dabei stellt dLLK den Durchmesser des Lichtleitkabels und m das Abbildungsverhältnis dar. Der Strahldurchmesser im Fokus dO wird also klein, wenn insbesondere das Abbildungsverhältnis klein wird. Für den halben Öf fnungswinkel a der Divergenz lässt sich die folgende Formel aufstellen: a = SSP / (dLLK * m / 2) Das Abbildungsverhältnis m kann durch die folgende Formel beschrieben werden : m = f / f C wobei f die Obj ektivbrennweite und fC die Kollimationsbrennweite darstellt . Das Abbildungsverhältnis m wird insbesondere klein, wenn die Ob ektivbrennweite f klein und/oder die Kollimationsbrennweite fC groß wird .
Durch das Variieren bzw . Einstellen insbesondere der Obj ektivbrennweite f und/oder der Kollimationsbrennweite fC lässt sich so der halbe Of fnungswinkel a bzw . die Divergenz wunschgemäß einstellen .
Gemäß einer Weiterbildung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserstrahlquelle aufweisen . Die Laserstrahlquelle kann als eine gepulste Laserstrahlquelle ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle kann eine
(ns (Nanosekunden) -gepulste ) Laserstrahlquelle sein . Die Laserstrahlquelle kann eine Leistung in einem Bereich von 70 W (Watt ) bis 1000 W, insbesondere in einem Bereich von 500 W bis 600 W, aufweisen . Die Laserstrahlquelle kann insbesondere eine Pulsdauer in einem Bereich von 3 ns bis 2000 ns , insbesondere in einem Bereich von 50 ns bis 500 ns , aufweisen . Die Laserstrahlquelle kann eine Repetitionsrate in einem Bereich von 1 kHz (KiloHertz ) bis 4 MHz (MegaHertz ) , insbesondere in einem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz , aufweisen .
Hierdurch kann die Laserleistung optimal eingestellt werden . Es kann so möglichst viel Energie in das zu zerschneidende Werkstück eingebracht werden, wobei zeitgleich möglichst wenig Energie in die in Strahlrichtung hinter dem Werkstück angeordneten Batteriekomponenten eingebracht wird .
Gemäß einer Weiterbildung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserstrahlquelle aufweisen . Die Laserstrahlquelle kann als ein Faserlaser ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle kann als ein Single-Mode-Laser ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle kann als ein CW ( continiuous wave ) -Laser ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle kann eine Leistung in einem Bereich von 0 , 5 kW (Kilowatt ) bis 5 kW, insbesondere in einem Bereich von 0 , 5 kW bis 2 kW, aufweisen . Die als Single-Mode-Laser ausgebildete Laserstrahlquelle kann eine Strahlqualität aufweisen, die eine Beugungsmaß zahl M2 von kleiner 1 , 7 aufweist .
Hierdurch kann die Laserleistung optimal eingestellt werden . Es kann so möglichst viel Energie in das zu zerschneidende Werkstück eingebracht werden, wobei zeitgleich möglichst wenig Energie in die in Strahlrichtung hinter dem Werkstück angeordneten Batteriekomponenten eingebracht wird .
Gemäß einer Weiterbildung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserstrahlquelle aufweisen . Die Laserstrahlquelle kann als ein Scheibenlaser ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle kann als ein Multi-Mode-Laser ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle kann als ein CW-Laser ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle kann eine Leistung in einem Bereich von 0 , 5 kW bis 24 kW, insbesondere in einem Bereich von 2 kW bis 8 kW, aufweisen .
Hierdurch kann die Laserleistung optimal eingestellt werden . Es kann so möglichst viel Energie in das zu zerschneidende Werkstück eingebracht werden, wobei zeitgleich möglichst wenig Energie in die in Strahlrichtung hinter dem Werkstück angeordneten Batteriekomponenten eingebracht wird .
Gemäß einer Weiterbildung kann die Laserstrahlquelle als ein Inf rarotlaser ausgebildet sein . Die als ein Inf rarotlaser ausgebildete Laserstrahlquelle kann eine Wellenlänge in einem Bereich von 800 nm (Nanometer ) bis 1200 nm, insbesondere von 1030 nm oder 1070 nm, aufweisen .
Hierdurch kann die Laserleistung weiter optimiert werden und eingestellt werden . Es kann so möglichst viel Energie in das zu zerschneidende Werkstück eingebracht werden, wobei zeitgleich möglichst wenig Energie in die in Strahlrichtung hinter dem Werkstück angeordneten Batteriekomponenten eingebracht wird .
Gemäß einer Weiterbildung kann die Laserstrahlquelle als ein Laser mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle kann als ein VIS (Visible ) -Laser ausgebildet sein . Die Wellenlänge des VIS-Lasers kann 551 nm ( grün) betragen .
Hierdurch kann bei der Verwendung eines VIS-Lasers ein optimaler Energieeintrag in das zu zerschneidende Werkstück eingebracht werden .
Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung eine Scanneroptik zum Bewegen des Laserstrahls über das Werkstück umfassen . Die Scanneroptik kann eingerichtet sein, um den Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 10 m/min (Meter pro Minute ) bis 80 m/min, insbesondere in einem Bereich von 20 m/min bis 60 m/min, über das Werkstück zu bewegen. Mittels der Scanneroptik kann der Laserspot auf dem Werkstück bewegt werden. Mittels der Scanneroptik kann der Laserstrahl auf dem Werkstück ausgerichtet werden.
Die Scanneroptik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 1,5:1 bis 2:1, aufweisen.
Hierdurch kann ein optimaler Energieeintrag in das zu zerschneidende Werkstück mittels einer Scanneroptik eingebracht werden. Zudem kann mit einfachen Mitteln ein Remoteschneiden umgesetzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung eine Festoptik zum fixen Ausrichten des Laserstrahls umfassen. Dabei kann der Laserstrahl auf dem Werkstück bewegt werden, indem das Werkstück und/oder die Festoptik (relativ zueinander) bewegt werden .
Die Festoptik kann eine Schneiddüse zum Ausrichten und/oder Fokussieren des Laserstrahls (auf dem Werkstück) umfassen. Die Festoptik kann eine Gaszufuhr zum Zuführen eines (inerten) Schneidgases umfassen. Bei dem Schneidgas kann es sich insbesondere um Stickstoff handeln. Das Zuführen des Schneidgases kann insbesondere in den Bereich des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück geschehen.
Die Festoptik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 1,5:1 bis 2:1. Hierdurch kann ein optimaler Energieeintrag in das zu zerschneidende Werkstück mittels einer Festoptik umgesetzt werden . Zudem kann aufgrund der Schneiddüse und/oder des Schneidgases das Schneidergebnis optimiert werden .
Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung einen optischen Sensor zur Positionserfassung des Laserstrahls und/oder des Werkstücks umfassen . Der optische Sensor kann kamerabasiert ausgebildet sein . Der optische Sensor kann als eine Kamera ausgebildet sein . Der optische Sensor kann zur Positionskontrolle des Laserstrahls und/oder des Werkstücks eingerichtet sein .
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln die Position des Laserstrahls und/oder des Werkstücks erfasst bzw . kontrolliert werden .
Die obige Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst . Bei dem Werkstück kann es sich um einen Zellverbinder einer Batteriezellenanordnung handeln .
Das Verfahren umfasst die Schritte :
Erzeugen und Fokussieren eines Laserstrahls , insbesondere mittels einer Lasereinrichtung .
Dabei weist der Laserstrahl auf dem Werkstück einen Strahldurchmesser von kleiner gleich 100 pm, insbesondere von kleiner gleich 50 pm auf . Der Laserstrahl weist ferner eine Divergenz mit einem halben Öf fnungswinkel von größer gleich 80 mrad auf . Ferner kann der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt in einem Bereich von 0 , 38 mm*mrad bis 16 mm*mrad aufweisen .
Der Laserstrahl kann ein Strahlparameterprodukt von 0 , 6 mm*mrad bei einem Single-Mode-Laser ( Strahl ) aufweisen . Der Laserstrahl kann ein Strahlparameterprodukt von 6 mm*mrad, insbesondere 4 mm*mrad, bei einem Multi-Mode-Laser ( Strahl ) aufweisen .
Hierdurch kann eine ( Laser ) Intensität bereitgestellt werden, die aufgrund des kleinen Laserspots auf der Oberfläche des Werkstücks ausreichend groß ist um dieses zu trennen . Aufgrund der großen Divergenz kann eine ( Laser ) Intensität auf der Oberfläche der im Laserstrahlrichtung hinter dem Werkstück liegenden Batteriezellkomponenten möglichst geringgehalten werden, um diese nicht zu beschädigen . Eine Gefahr von Entflammung von Dämmungsmaterial und/oder Brandt- bzw . Explosionsgefahr der Batteriezellen kann ausgeräumt oder zumindest reduziert werden .
Das Durchtrennen kann vollständig automatisiert ( ohne manuelle Intervention) durchgeführt werden . Dabei kann ein geringerer Wärmeeintrag ggü . anderen Verfahren (bspw . Plasmaschnitt ) erzielt werden . Zudem kann eine Spanentstehung ggü . anderen Verfahren (bspw . Fräsen) verhindert werden ( spanfreies Durchtrennen der Zellverbinder ) . Es werden keine Fremdstof fe durch bspw . Kühlmittel oder weitere Betriebsmittel , welche bei anderen Verfahren eingesetzt werden müssen, benötigt .
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen : Bewegen des Laserstrahls und/oder des Werkstücks , um einen Vorschub (Bewegung) des auf dem Werkstück fokussierten Laserstrahls zu erzeugen .
Dabei kann der Vorschub in einem Bereich von 10 m/min bis 80 m/min, insbesondere in einem Bereich von 20 m/min bis 60 m/min, liegen .
Hierdurch kann das Durchtrennen des Werkstücks weiter optimiert und eine saubere Schnittfuge umgesetzt werden .
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen :
Zuführen eines ( inerten) Schneidgases . Das Schneidgases kann als Stickstof f ausgebildet sein . Das Schneidgases kann insbesondere in den Bereich des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück zugeführt werden .
Durch das Zuführen des Schneidgases kann das Schneidergebnis bzw . die Schneidfuge optimiert werden .
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen :
Ermitteln der Position des ( fokussierten) Laserstrahls und/oder des Werkstücks . Das Ermitteln der Position kann dabei mittels eines optischen Sensors umgesetzt werden .
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln eine Positionserfassung und/oder -kontrolle umgesetzt werden . Gemäß einer Weiterbildung kann zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung gemäß obiger Aus führungen benutzt werden .
Hinsichtlich der damit erzielbaren Vorteile wird auf die diesbezüglichen Aus führungen zur Vorrichtung verwiesen . Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen .
Weitere Merkmale , Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen anhand der Zeichnungen . Es zeigen :
Fig . 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit einem Werkstück;
Fig . 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchtrennen des Werkstücks gemäß Figur 1 und
Fig . 3 eine schematische Darstellung eines mittels der Vorrichtung gemäß Figur 2 erzeugten Laserstrahls .
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren tragen sich entsprechende Bauteile und Elemente gleiche Bezugs zeichen . Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind nicht in allen Figuren sämtliche Bezugs zeichen wiedergegeben .
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 14 mit einem Werkstück 12 . Das Werkstück 12 ist vorliegend als ein Zellverbinder der Batteriezellenanordnung 14 ausgebildet . Die Batteriezellenanordnung 14 umfasst vorliegend zwei Batteriezellen 13 , die mittels des Werkstücks 12 elektrisch miteinander verbunden sind .
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Durchtrennen des Werkstücks 12 gemäß Figur 1 . Die Vorrichtung 10 ist zum Durchtrennen des Werkstücks 12 mittels eines Laserstrahls 16 eingerichtet .
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Lasereinrichtung 18 zur Erzeugung und/oder Fokussierung des Laserstrahls 16 . Die Lasereinrichtung 18 umfasst eine Laserstrahlquelle 24 .
Die Laserstrahlquelle 24 kann als eine (ns- ) gepulste Laserstrahlquelle 24 ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle 24 kann eine Leistung in einem Bereich von 70 W bis 1000 W, insbesondere in einem Bereich von 500 W bis 600 W, aufweisen . Die Laserstrahlquelle 24 kann eine Pulsdauer in einem Bereich von 3 ns bis 2000 ns , insbesondere in einem Bereich von 50 ns bis 500 ns , und/oder eine Repetitionsrate in einem Bereich von 1 kHz bis 4 MHz , insbesondere in einem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz , aufweisen .
Die Laserstrahlquelle 24 kann als ein Faserlaser insbesondere ein Single-Mode-Laser, ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle 24 kann dabei eine Leistung in einem Bereich von 0 , 5 kW bis 5 kW, insbesondere in einem Bereich von 0 , 5 kW bis 2 kW, aufweisen . Die als Single-Mode-Laser ausgebildete Laserstrahlquelle 24 kann eine Strahlqualität aufweisen, die eine Beugungsmaß zahl M2 von kleiner 1 , 7 aufweist . Die Laserstrahlquelle 24 kann als ein Scheibenlaser, insbesondere ein Multi-Mode-Laser, ausgebildet sein . Die Laserstrahlquelle 24 kann dabei eine Leistung in einem Bereich von 0 , 5 kW bis 24 kW, insbesondere in einem Bereich von 2 kW bis 8 kW, aufweisen .
Die Laserstrahlquelle 24 kann als ein Inf rarotlaser mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 800 nm bis 1200 nm, insbesondere von 1030 nm oder 1070 nm, ausgebildet sein .
Die Laserstrahlquelle 24 kann als ein Laser mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich, insbesondere von 515 nm, ausgebildet sein .
Vorliegend weist die Vorrichtung 10 eine Scanneroptik 26 zum Bewegen des Laserstrahls 16 über das Werkstück 12 auf . Die Scanneroptik 26 ist eingerichtet , um den Laserstrahl 16 mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich 10 m/min bis 80 m/min, insbesondere in einem Bereich von 20 m/min bis 60 m/min, über das Werkstück 12 zu bewegen .
Die Scanneroptik 26 kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1 : 1 bis 5 : 1 , insbesondere in einem Bereich von 1 , 5 : 1 bis 2 : 1 , aufweisen . Mittels der Scanneroptik 26 kann ein Remoteschneiden des Werkstücks 12 umgesetzt werden .
Die Vorrichtung 10 kann auch eine Festoptik zum fixen Ausrichten des Laserstrahls 16 umfassen . Die Festoptik kann eine Schneiddüse zum Ausrichten und/oder Fokussieren des Laserstrahls 16 umfassen . Die Festoptik kann eine Gas zufuhr zum Zuführen eines Schneidgases (bspw . Stickstof f ) , insbesondere in den Bereich des fokussierten Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 12 umfassen .
Die Festoptik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1 : 1 bis 5 : 1 , insbesondere in einem Bereich von 1 , 5 : 1 bis 2 : 1 , aufweisen .
Die Vorrichtung 10 umfasst vorliegend einen optischen Sensor 28 . Mittels des optischen Sensors 28 kann die Position des Laserstrahls 16 und/oder des Werkstücks 12 erfasst bzw . kontrolliert werden .
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines mittels der Vorrichtung 10 gemäß Figur 2 erzeugten Laserstrahls 16 . In Figur 3 ist die optische Achse 21 des Laserstrahls 16 gestrichelt dargestellt . Die Laserstrahlrichtung 23 des Laserstrahls 16 ist in Figur 3 mittels eines Pfeils angedeutet .
Der Laserstrahl 16 wird auf dem Werkstück 12 fokussiert . Der fokussierte Laserstrahl hat auf dem Werkstück 12 einen Strahldurchmesser 20 . Der Strahldurchmesser 20 kann kleiner gleich 100 pm, insbesondere kleiner gleich 50 pm sein .
Der Laserstrahl 16 weist vorliegend einen halben
Öf fnungswinkel 22 der Divergenz von größer gleich 80 mrad auf . Das Strahlparameterprodukt des Laserstrahls 16 liegt dabei in einem Bereich von 0 , 38 mm*mrad bis 16 mm*mrad .
Das Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks 12 , insbesondere eines Zellverbinders einer Batterieanordnung 14 , mittels eines Laserstrahls 16 kann anhand der Figuren 1 bis 3 wie folgt beschrieben werden :
Zunächst wird vorliegend mittels der Lasereinrichtung 18 ein Laserstrahl 16 erzeugt und auf das Werkstück 12 fokussiert . Dabei weist der Laserstrahl 16 einen Strahldurchmesser 20 , ein Strahlparameterprodukt und/oder einen halben Öf fnungswinkel 22 , wie oben beschrieben, auf .
Der Laserstrahl 16 und/oder das Werkstück 12 können bewegt werden, um einen Vorschub (Bewegung) des auf dem Werkstück 12 fokussierten Laserstrahls 16 zu erzeugen . Dabei kann der Vorschub in einem Bereich, wie oben beschrieben, liegen .
Es kann ein Schneidgas zugeführt werden . Dabei kann das Schneidgases , insbesondere Stickstof f , in den Bereich des fokussierten Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 12 zugeführt werden .
Es kann die Position des Laserstrahls und/oder des Werkstücks
12 ermittelt werden . Dies kann insbesondere mittels eines optischen Sensors 28 durchgeführt werden .
Zur Durchführung des Verfahrens kann eine in der Figur 2 gezeigte Vorrichtung 10 (wie oben beschrieben benutzt werden .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zum Durchtrennen eines Werkstücks (12) , insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung (14) , mittels eines Laserstrahls (16) , umfassend eine Lasereinrichtung (18) zur Erzeugung und/oder Fokussierung des Laserstrahls (16) , dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (18) derart eingerichtet ist, dass der Laserstrahl (16) auf dem Werkstück (12) einen Strahldurchmesser (20) von kleiner gleich 100 gm, insbesondere von kleiner gleich 50 gm, aufweist, sowie eine Divergenz mit einem halben Öf fnungswinkel (22) von größer gleich 80 mrad.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (18) zur Erzeugung des Laserstrahls (16) eine Laserstrahlquelle (24) aufweist, wobei die Laserstrahlquelle (24) als eine gepulste Laserstrahlquelle (24) ausgebildet ist, eine Leistung in einem Bereich von 70 W bis 1000 W, insbesondere in einem Bereich von 500 W bis 600 W, eine Pulsdauer in einem Bereich von 3 ns bis 2000 ns, insbesondere in einem Bereich von 50 ns bis 500 ns, und/oder eine Repetitionsrate in einem Bereich von 1 kHz bis 4 MHz, insbesondere in einem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz, aufweist.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (18) zur Erzeugung des Laserstrahls (16) eine Laserstrahlquelle (24) aufweist, wobei die Laserstrahlquelle (24) als ein Faserlaser, insbesondere ein Single-Mode-Laser, ausgebildet ist und/oder eine Leistung in einem Bereich von 0,5 kW bis 5 kW, insbesondere in einem Bereich von 0,5 kW bis 2 kW, aufweist.
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (18) zur Erzeugung des Laserstrahls (16) eine Laserstrahlquelle (24) aufweist, wobei die Laserstrahlquelle (24) als ein Scheibenlaser, insbesondere ein Multi-Mode-Laser, ausgebildet ist und/oder eine Leistung in einem Bereich von 0,5 kW bis 24 kW, insbesondere in einem Bereich von 2 kW bis 8 kW, aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (24) als ein Inf rarotlaser mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 800 nm bis 1200 nm, insbesondere von 1030 nm oder 1070 nm, ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (24) als ein Laser mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich, insbesondere von 515 nm, ausgebildet ist.
7. Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung
(10) eine Scanneroptik (26) zum Bewegen des Laserstrahls (16) über das Werkstück (12) umfasst, insbesondere wobei die Scanneroptik (26) eingerichtet ist, um den Laserstrahl (16) mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich 10 m/min bis 80 m/min, insbesondere in einem Bereich von 20 m/min bis 60 m/min, über das Werkstück (12) zu bewegen, insbesondere wobei die Scanneroptik (26) ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 1,5:1 bis 2:1, aufweist .
8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Festoptik zum fixen Ausrichten des Laserstrahls (16) umfasst, wobei die Festoptik eine Schneiddüse zum Ausrichten und/oder Fokussieren des Laserstrahls (16) umfasst, insbesondere wobei die Festoptik eine Gaszufuhr zum Zuführen eines Schneidgases, insbesondere in den Bereich des fokussierten Laserstrahls (16) auf dem Werkstück (12) , umfasst, wobei die Festoptik vorzugsweise ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 1,5:1 bis 2:1, aufweist.
9. Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung
(10) einen optischen Sensor (28) zur Positionserfassung des Laserstrahls (16) und/oder des Werkstücks (12) umfasst .
10. Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks (12) , insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung (14) , mittels eines Laserstrahls (16) , umfassend die Schritte:
Erzeugen und Fokussieren eines Laserstrahls (16) , insbesondere mittels einer Lasereinrichtung (18) , wobei der Laserstrahl (16) auf dem Werkstück (12) einen Strahldurchmesser (20) von kleiner gleich 100 pm, insbesondere von kleiner gleich 50 pm aufweist, und eine Divergenz mit einem halben Öf fnungswinkel (22) von 80 mrad .
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den Schritt :
Bewegen des Laserstrahls (16) und/oder des Werkstücks (12) , um einen Vorschub des auf dem Werkstück (12) fokussierten Laserstrahls (16) zu erzeugen, wobei der Vorschub in einem Bereich von 10 m/min bis 80 m/min, insbesondere in einem Bereich von 20 m/min bis 60 m/min, liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch den Schritt:
Zuführen eines Schneidgases, insbesondere in den Bereich des fokussierten Laserstrahls (16) auf dem Werkstück ( 12 ) .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch den Schritt:
Ermitteln der Position des Laserstrahls (16) und/oder des Werkstücks (12) , insbesondere mittels eines optischen Sensors (28) .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet dadurch, dass zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 benutzt wird.
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