Laser meets E-Mobility: Optimierung von Laserschweißprozessen in der Produktion elektrischer Traktionsantriebe mittels Six-Sigma-Methoden (BA/PA/MA/HiWi)

Bildquellen: Grob-Werke, Trumpf, BMW

Ausgangssituation:

Durch die zunehmende Verbreitung der Elektromobilität wird sich die hiesige Automobilindustrie grundlegend verändern. Gerade im Bereich der Elektromotorenproduktion steht Deutschland angesichts des intensiven globalen Wettbewerbs stark unter Druck. Neben innovativen Motorenkonzepten sind insbesondere effiziente, flexibel automatisierte Fertigungsprozesse erforderlich um die Wertschöpfung in Deutschland anhaltend zu sichern. Im Zuge der Serienfertigung leistungsfähiger automobiler Traktionsantriebe rückt vor allem die Hairpin-Technologie zusehends in den Fokus. Während konventionelle Wickelverfahren noch mit wenigen Kontaktstellen auskommen, steigt deren Anzahl bei Traktionsantrieben mit Hairpin-Technologie deutlich an. Je nach Motorendesign sind bis zu 180 Kontaktstellen pro Stator üblich. Automatisierbare und prozesssichere Kontaktierungsverfahren sind in der Hairpin-Statorproduktion damit wichtiger denn je.

Während das Laserschweißen durch hohe Automatisierbarkeit, niedrige Taktzeiten und hohe Flexibilität überzeugt, liegt ein wesentlicher Nachteil in der hohen Komplexität des Prozesses. So wird die Qualität einer Schweißnaht von vielen Faktoren, etwa Material-, Strahlqualität und Umwelteinwirkungen, beeinflusst. Auch Abweichungen in vorgelagerten Prozessschritten, etwa Isolationsrückstande vom Abisolieren, gratbehaftete Kanten vom Ablängen oder ein Versatz der Leiter durch fehlerhaftes Biegen und Schränken, beeinflussen das Schweißergebnis merklich. Derartige fertigungsbedingte Abweichungen können wiederum zu Schweißfehlern führen, die zum einen die mechanischen, zum anderen die elektrischen Eigenschaften der Kontaktstelle negativ beeinflussen.

Aus diesem Grund wird ein schnelles, kostengünstiges und Inline-fähiges System benötigt, welches jede einzelne Schweißnaht auf Schweißfehler sowie andere Anzeichen schlechter Qualität überprüft und damit eine gleichbleibend hohe Prozesssicherheit beim Laserschweißen von Hairpins sicherstellt. Dies ist die übergeordnete Zielstellung, an der der Lehrstuhl FAPS gemeinsam mit nahmhaften Partnern aus der Industrie forscht, um so einen prozesssicheren, KI-gestützten Laserschweißprozess für die Elektromobilproduktion von morgen zu gewährleisten.

Mögliche Aufgabenstellungen:

Im Rahmen dieses Themenbereichs sind generell unterschiedliche Arbeiten zu vergeben – je nach Interesse und Vorwissen. Ziel der vorliegenden Arbeit wäre es, praktische Versuche zur Ergründung der verschiedenen Wechselwirkungen und Optimierung des Laserschweißprozesses durchzuführen. Dabei sind geeignete Werkzeuge des Six Sigma, insb. statistische Versuchsplanung, anzuwenden. Auch ist darauf zu achten, dass sich die aufgenommenen Daten hinsichtlich Quantität und Qualität für eine spätere Auswertung mittels KI-Algorithmen eignen (nicht Teil dieser Arbeit). Daraus ergeben sich die folgenden Arbeitspakete:

  • Einarbeitung in das Kontaktieren von Hairpin-Statoren mittels Laserschweißen sowie der bereits bekannten Wechselwirkungen zu vorgelagerten Prozessschritten, insb. Abisolieren und Ablängen
  • Einarbeitung in die lehrstuhleigene Laserschweißanlage Trumpf TruDisk 8001-6C zur eigenständigen Bedienung dieser
  • Planung und Durchführung von Versuchen zur Eruierung der verschiedenen Wechselwirkungen anhand geeigneter Six-Sigma-Methoden und unter Berücksichtigung der späteren Anforderungen einer alternativen, KI-basierten Auswertung
  • Bewertung der Qualität der Proben anhand geeigneter Prüfkriterien, u.a. Widerstandsmessungen, Schliffbilder und CT-Aufnahmen
  • Auswertung der aufgenommenen Prozess- und Qualitätsdaten, z.B. mittels Minitab, und ggf. Ausblick auf mögliche KI-basierte Auswertemöglichkeiten

    Lasergeschweißter Hairpin-Stator eines elektrischen Traktionsantriebs (Quelle: Trumpf)

Genauere Informationen zu den Themenstellungen werden gerne in einem persönlichen Gespräch erläutert.

Voraussetzungen und Bewerbung:
  • Interesse an der Produktion elektrischer Traktionsantriebe und statistischer Versuchsplanung
  • Freude an praktischer Arbeit wie der Durchführung von Experimenten und Verwendung von innovativer Anlagen- und Messtechnik
  • Selbständige und gewissenhafte Arbeitsweise
  • Bewerbungen per E-Mail mit Lebenslauf und aktueller Fächerübersicht an marcel.baader@faps.fau.de und andreas.mayr@faps.fau.de (in CC)

Ansprechpartner:

Marcel Baader, M.Sc.

Andreas Mayr, M.Sc., M.Sc.

Beispielhaftes laserbasiertes Kontaktieren von Elektromotoren mit Hairpin-Technologie:

Einsatzfelder des Laserschweißens in der Elektromobilproduktion:

Anfrageformular

Anfrage für: Laser meets E-Mobility: Optimierung von Laserschweißprozessen in der Produktion elektrischer Traktionsantriebe mittels Six-Sigma-Methoden (BA/PA/MA/HiWi)

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    Kategorien:

    Forschungsbereich:

    Elektromaschinenbau

    Art der Arbeit:

    Bachelorarbeit, Diplomarbeit, Masterarbeit, Projektarbeit

    Studiengang:

    Energietechnik, Informatik, IPEM, Maschinenbau, Mechatronik, Medizintechnik, Wirtschaftsingenieurwesen

    Technologiefeld:

    Aufbau und Verbindungstechnik, Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen, Medizintechnik

    Kontakt: