“Os veículos com motor de combustão interna provavelmente continuarão connosco durante muito mais tempo. Mas, até 2030, terão sido registados 120 milhões de novos veículos em todo o mundo, e os veículos elétricos representarão aproximadamente um quinto do total. A tecnologia laser desempenha um papel fundamental no fabrico dos componentes mais importantes dos veículos”, afirma Gerhard Hein, Diretor Executivo do Grupo de Trabalho de Lasers e Sistemas Laser para Processamento de Materiais da VDMA.
 
Com a entrada da mobilidade elétrica no mercado, grandes desafios de produção estão no horizonte. A feira internacional LASYS 2020 irá abordar estas mudanças na tecnologia de produção, com foco nas diversas aplicações do processamento de materiais a laser. A LASYS celebrará a sua sétima edição em 2020. Será o ponto de encontro para representantes de diversos setores, incluindo fabricantes, integradores, prestadores de serviços e utilizadores de sistemas laser.
 
Novos Desafios para os Sistemas Laser
“Embora a mobilidade elétrica ainda esteja numa fase inicial”, observa Johannes Bührle, responsável do setor automóvel da Trumpf, “a tecnologia de produção é fundamental para o seu futuro.
No entanto, a corrida começou há muito tempo. Do ponto de vista da produção, o objetivo é encontrar um equilíbrio entre a manufatura e a produção em massa”. Segundo Bührle, muitos projetos de produtos ainda estão em fase de desenvolvimento e otimização:
“Os equipamentos de fabrico e produção, como os sistemas laser, devem ser suficientemente flexíveis para reagir a mudanças radicais no design e à utilização de materiais novos ou diferentes.”
 
Os sistemas laser estão envolvidos em muitos processos no fabrico de veículos elétricos. Por um lado, trata-se de criar construções leves e melhorar as estruturas da carroçaria através do design de componentes adaptados à carga. Os processos de maquinação a laser acessíveis para aço, alumínio, compósitos de fibra e processos de laser aditivo desempenham um papel significativo neste sentido.
Por outro lado, a produção de baterias, componentes eletrónicos de potência e os próprios motores elétricos exigem sistemas laser inovadores para união ou corte, capazes de processar metais não ferrosos, como o cobre e o alumínio, de forma eficiente e fiável.
 
Otimização do peso com processos laser versáteis:
a construção leve significa otimizar o peso de um veículo, mantendo uma maior estabilidade. Os especialistas têm grandes expectativas em relação aos processos de fabrico a laser.
"Os eixos de transmissão fabricados com estes processos no setor automóvel permitem reduções de peso superiores a dois terços. O mesmo se aplica às caixas de baterias concebidas com estruturas em grelha ou permutadores de calor de alto desempenho, cujas novas estruturas refletem um aumento significativo da compactação e uma eficiência funcional excecional", explica Hein.
 
Em relação ao design de componentes flexíveis e estruturais de veículos, o Instituto Fraunhofer de Materiais e Tecnologia do Aço (IWS), por exemplo, acredita que as estruturas da carroçaria que desempenham um papel significativo nas colisões devem ser melhoradas individualmente. “Para alcançar este objetivo, focámo-nos em componentes como o para-choques, a bandeja da bateria, o chassis e as estruturas gerais do veículo. Reforçamos as peças precisamente onde é necessário. Para isso, utilizamos tratamento a laser localizado em estruturas de chapa metálica e técnicas de fabrico aditivo localizado para aplicar nervuras, por exemplo, em perfis para os reforçar. Também conseguimos projetos com resistência individualizada através do endurecimento a laser localizado de aços carbono em pontos selecionados”, explica o Dr. Jens Standfuß, Chefe de Junção do IWS. Outro foco importante do instituto de Dresden é a ligação térmica direta do metal aos termoplásticos reforçados com fibras. Um breve aquecimento a laser e por indução produz uma combinação de adesão e deformação mecânica. “O importante é a estruturação a laser das superfícies metálicas utilizadas. A superfície é limpa, expandida e modificada quimicamente para criar estruturas que se adaptam ao formato. Ao contrário das juntas adesivas convencionais, não é necessário qualquer material adicional, e o processo de ligação a laser é rápido e fácil”, afirma Standfuß.
 
Soldadura a laser de alta eficiência de metais não ferrosos.
Os materiais condutores de eletricidade, como o cobre, são essenciais para as células das baterias, módulos, baterias, eletrónica de potência e motores elétricos. Até agora, o seu processamento representava um desafio para os sistemas laser. "Fomos a primeira empresa no mundo a desenvolver um laser de díodo azul com um comprimento de onda de 450 nm e uma potência superior a 1 kW, o que aumenta a absorção de luz pelo cobre para mais de 60%. Os sistemas convencionais de laser infravermelho atingem valores de apenas 2 a 5% devido à forte reflexão da luz", explica o Dr. Simon Britten, Diretor de Inovação do departamento de Desenvolvimento de Novos Negócios da Laserline. Britten sublinha ainda: "Isto significa que a energia fornecida ao cobre pode ser controlada de forma tão eficaz que, pela primeira vez, é possível realizar os chamados processos de soldadura por condução térmica sem evaporação ou capilares de vapor. O resultado são processos que praticamente não produzem salpicos. Além disso, a refusão precisa do cobre abre novas possibilidades de design para os processos de soldadura a laser." Os sistemas laser da Trumpf operam na gama espectral verde com um comprimento de onda de 515 nm. "Utilizam tecnologia de laser de disco e, com uma potência de saída de 1 kW e uma qualidade de feixe de 2 mm x mrad, possibilitam uma qualidade de soldadura e eficiência energética sem precedentes, mesmo com materiais altamente reflectores como o cobre", explica Bührle, especialista da Trumpf.
 
Processo Hairpin: interação ideal de vários componentes.
 Os novos sistemas laser referidos são utilizados, por exemplo, no chamado processo Hairpin: soldadura laser de estatores. Para a Trumpf, a produção automatizada e económica de grandes quantidades de estatores de motores elétricos só é possível com este processo. No processo Hairpin, uma pistola de ar comprimido dispara um fio de cobre retangular, semelhante a um gancho de cabelo, para a ranhura do estator. "Os grampos são separados pelo laser, depois torcidos entre si e soldados com um feixe de laser. Parece simples, mas requer uma interação perfeita entre o sistema laser, a ótica, o processamento digital de imagens e o controlo do processo", explica Bührle. Rainer Franke, responsável pela Óptica Laser no departamento de Componentes Laser, concorda: "A ótica laser também contribui significativamente para a precisão da soldadura a laser e outros processos de fabrico para a mobilidade elétrica. Adaptamos a ótica precisamente ao uso pretendido. Os elementos óticos difrativos podem ser utilizados para criar uma grande variedade de formatos de feixe para requisitos específicos. Devido aos elevados níveis de energia dos lasers industriais, um elevado limite de danos por laser em todas as óticas é um fator crítico."
 
Os sistemas laser automatizados operam de forma sustentável e com eficiência energética.
 "Para satisfazer a crescente procura da indústria automóvel por conjuntos elétricos instaláveis, são absolutamente essenciais sistemas de produção automatizados completos que integrem processos de montagem, laser e teste, bem como sistemas de rastreabilidade para todos os dados de produto e máquina", afirma o Dr. Jörg Lässig, diretor administrativo da SITEC Industrietechnologie. A empresa sediada em Chemnitz está a responder com sistemas laser automatizados inovadores para a soldadura de componentes eletrónicos de potência, estatores e placas bipolares para células de combustível. Lässig sublinha ainda: "Com os nossos sistemas laser, focamo-nos tanto na relação custo-benefício como na produção ambientalmente sustentável. Alcançamos uma operação eficiente em termos energéticos, por exemplo, integrando fontes de feixe laser específicas para cada aplicação, com elevada eficiência global e utilização otimizada do laser através de conceitos de sistema com processos otimizados."
 
O Dr. Simon Britten, da Laserline, considera também o estabelecimento da mobilidade elétrica sustentável na Europa um desafio. "Com a luz laser 'azul', estamos a facilitar este processo ao gerar métodos de produção com uma utilização eficiente dos recursos. Pela primeira vez, esta radiação laser pode ser gerada diretamente, sem conversão de comprimento de onda. Combinada com a elevada absorção do cobre, a eficiência global dos processos pode ser significativamente aumentada no futuro. Além disso, pretendemos desenvolver
novas aplicações para além do processamento de cobre, uma vez que ainda há muito a descobrir sobre a interação de vários materiais com este comprimento de onda."
 
Os métodos a laser com inteligência artificial e manufatura aditiva estão a ditar tendências.
 A individualização, as estruturas de custos melhoradas, a eficiência energética, a utilização otimizada dos materiais, a fiabilidade do processo e a qualidade continuarão a ser desafios na produção de veículos elétricos no futuro. Gerhard Hein, da VDMA, afirmou: “Quando se trata de pequenos lotes e requisitos de personalização rigorosos, a relação custo-benefício das tecnologias baseadas em ferramentas atinge claramente o seu limite. Os processos de fabrico aditivo a laser, como a deposição de metal a laser ou a fusão de metal a laser, oferecem uma solução para a produção em série personalizada de componentes veiculares de alta qualidade e com peso otimizado”. Para os especialistas da Trumpf, a inteligência artificial (IA) é uma solução fundamental. Bührle previu: “A IA irá provavelmente melhorar significativamente os nossos processos de produção e controlo de qualidade no futuro, se, por exemplo, conseguir detetar motores elétricos no processo Hairpin que não cumpram os critérios de soldadura predefinidos. Estamos a trabalhar numa IA que possa fazer isto de forma independente”.