2010 年梅賽德斯-奔馳認(rèn)定其未來(lái)在于建造自己的電池模塊，要想實(shí)現(xiàn)這一愿景，關(guān)鍵在于將單個(gè)”軟包電池“電芯單元相互連接來(lái)建立電路連接。聽起來(lái)容易做起來(lái)難，關(guān)鍵在于如何以最低的電阻和最高的機(jī)械強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)連接兩個(gè)由銅和鋁箔制成的非常薄的導(dǎo)體片，同時(shí)確保其不彎曲或者損壞。其實(shí)困難遠(yuǎn)不止于此，因?yàn)橐坏┠K被連接在一起，400 伏的電池組將產(chǎn)生幾百安培的電流，尤其是在一個(gè)極其狹窄的空間里，并且存在熱敏元件的時(shí)候，這要求一點(diǎn)錯(cuò)誤也不能產(chǎn)生。
 

首個(gè)工廠：位于卡門茲的基于激光設(shè)備的電池生產(chǎn)工廠為所有后續(xù)工廠奠定了模板
 

　　01、宏偉的計(jì)劃
 

　　機(jī)械解決方案顯然不如高精度激光加工，激光加工方案是一個(gè)更有希望的發(fā)展方向。Christian Elsner 是梅賽德斯-奔馳在斯圖加特技術(shù)工廠的激光材料加工主管，他和他的團(tuán)隊(duì)需要找到一種解決方案，在一組緊密堆疊的電池模塊中，每分鐘將多達(dá) 350 個(gè)軟包電池焊接到兩條導(dǎo)體上。一旦出現(xiàn)任何錯(cuò)誤都有可能影響電池的充電速度、容量和使用壽命。其中最關(guān)鍵的是要確保導(dǎo)體片溫度不超標(biāo)，因?yàn)槠淞硪欢私菰跓崦舾械碾娊赓|(zhì)中——溫度一旦超過(guò) 70 度就會(huì)破壞電池。因此，他們的任務(wù)是在高精度地焊接超級(jí)薄的金屬箔材，并且在這個(gè)過(guò)程中不能加熱任何東西。
 

　　這只是該公司開發(fā)自己的電池制造工藝宏偉計(jì)劃的一部分。最初的目標(biāo)是在德國(guó)薩克森州的卡門茲小鎮(zhèn)啟動(dòng)該工藝，然后逐步將其發(fā)展為未來(lái)全球制造網(wǎng)絡(luò)工廠的模板。
 

　　02、通往卡門茲之路
 

　　首先，在基于控制熱能量的需求上 Elsner 和他的團(tuán)隊(duì)選擇了遠(yuǎn)程激光焊接。遠(yuǎn)程激光焊接借助鏡子來(lái)偏轉(zhuǎn)激光束，以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的焊接。光學(xué)鏡頭還可以使光束在大約 30 至 40 厘米的距離內(nèi)在一瞬間實(shí)現(xiàn)從一個(gè)焊縫跳到另一個(gè)焊縫。激光系統(tǒng)在幾乎沒(méi)有熱量輸入的同時(shí)能夠在幾分鐘內(nèi)完成數(shù)百條焊縫。
 

　　為了保證每條焊縫的導(dǎo)電性，必須防止光束直接穿過(guò)薄的導(dǎo)電箔或在焊縫周圍散布飛濺物。因此，該團(tuán)隊(duì)需要完全控制工藝參數(shù)，如焦點(diǎn)位置和功率密度，他們很快就找到了合適的光束源，那就是 TRUMPF 的 TruDisk 5001。除了在標(biāo)準(zhǔn)和遠(yuǎn)程焊接中提供微調(diào)焦點(diǎn)所需的光束質(zhì)量外，該系統(tǒng)還大大減少了飛濺的形成，即使是像銅這種高反材料。這使得它成為卡門茲第一家電池工廠的完美焊接工具。梅賽德斯-奔馳成立了子公司 Accumotive 來(lái)管理該工廠，并在 2012 年開始生產(chǎn)。
 

　　今天，這個(gè)開創(chuàng)性的設(shè)施在三條 170 米長(zhǎng)的全自動(dòng)化生產(chǎn)線上制造電池。每條生產(chǎn)線有 30 個(gè)加工站，其中包括了許多焊接部分。一共共有 35 個(gè)光束源，大部分是TruDisk 5001 系統(tǒng)，并通過(guò)激光網(wǎng)絡(luò)為 PFO 的焊接光學(xué)器件提供服務(wù)。集中使用一種特定類型的光束源和一種焊接光學(xué)器件的決定是設(shè)計(jì)理念的一部分；除了降低復(fù)雜性外，它還需要減少培訓(xùn)和備件儲(chǔ)存。生產(chǎn)線從一個(gè)完全自動(dòng)化的工位開始，機(jī)器人將兩個(gè)電池粘在一個(gè)框架上。這些單元隨后將被組裝成模塊，但首先導(dǎo)體片必須按尺寸切割并相互彎曲。當(dāng)需要焊接時(shí)，特殊的夾緊裝置將金屬片平放在一起，光學(xué)元件移動(dòng)到該位置，激光在金屬上閃爍。夾持裝置打開，框架繼續(xù)前進(jìn)，并被組合成模塊。隨后激光被再次用來(lái)進(jìn)行連接。然后，一個(gè)夾持器被用來(lái)安裝帶有更薄觸點(diǎn)的傳感器模塊；這些模塊使用相同的技術(shù)進(jìn)行焊接，但功率降低。一旦每個(gè)模塊完成并經(jīng)過(guò)測(cè)試，它就會(huì)和其他幾個(gè)模塊一起被安裝在一個(gè)電池托盤上，所有的模塊都會(huì)在電路上相互連接。TruDisk 5001 和 PFO 光學(xué)器件能夠用激光完成所有需要連接電氣觸點(diǎn)的焊接工作。
 

一疊電池被夾住并準(zhǔn)備進(jìn)行焊接
 

一個(gè)完成的電池模組
 

　　激光束的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，這就是為什么該公司選擇在其激光控制系統(tǒng)中加入 VisionLine 圖像處理技術(shù)的原因。使用光學(xué)傳感器，該軟件檢測(cè)夾持設(shè)備的邊緣，并在離這些邊緣的精確定義的距離上進(jìn)行焊接，Elsner 說(shuō)："機(jī)器既能看到它在做什么，同時(shí)它也將所有操作記錄了下來(lái)。
 

　　03、黃金數(shù)據(jù)
 

　　這種制造數(shù)據(jù)在三個(gè)不同方面對(duì)梅賽德斯-奔馳具有難以置信的價(jià)值。首先，它可以用來(lái)控制和監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線的過(guò)程。對(duì)焊頭上傳感器捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治龊痛鎯?chǔ)，這些數(shù)據(jù)記錄了流程中每個(gè)步驟的質(zhì)量。Elsner 說(shuō)：“我們幾乎可以實(shí)時(shí)的用它來(lái)在線監(jiān)測(cè)焊縫，”。通過(guò)仔細(xì)評(píng)估這些數(shù)據(jù)，公司還可以獲得關(guān)于如何進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)和工藝的寶貴信息。Elsner 說(shuō)，這是激光器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但常常被忽視。他說(shuō)：“幾乎沒(méi)有其他工具能在同樣的參數(shù)下提供同樣一致的結(jié)果并與此同時(shí)提供如此多的工藝信息。”
 

　　04、規(guī)模擴(kuò)張
 

　　這兩個(gè)方面對(duì) Kamenz、Accumotive 和梅賽德斯-奔馳的未來(lái)都非常重要。由于其全電動(dòng)EQ車型和插電式混合動(dòng)力車，該汽車制造商對(duì)電池的需求正在穩(wěn)步增長(zhǎng)，現(xiàn)在它正在收獲自 2010 年夏天以來(lái)所做的艱苦工作的回報(bào)。梅賽德斯-奔馳在國(guó)際制造網(wǎng)絡(luò)上投資了數(shù)十億美元，該網(wǎng)絡(luò)目前由歐洲、亞洲和美洲的九個(gè)工廠組成。而卡門茲是所有這些新設(shè)施的模板和專業(yè)技術(shù)中心。隨著激光工藝的不斷發(fā)展，Elsner 說(shuō)：“我們不斷改進(jìn)光束源、激光光學(xué)器件和傳感器，使我們的工藝更快、更穩(wěn)定、更有成本效益。有時(shí)，這些改進(jìn)為全新的應(yīng)用鋪平了道路，使激光器能夠展示其能力。顯然，我們?cè)谏a(chǎn)車輛中采用的一切都源于實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)團(tuán)隊(duì)的熱情和辛勤工作。”他補(bǔ)充說(shuō)，電動(dòng)汽車為新的發(fā)展提供了一個(gè)特別豐富的環(huán)境。“激光技術(shù)的好處是，我們永遠(yuǎn)不會(huì)感到無(wú)聊、永遠(yuǎn)不會(huì)抱怨缺乏令人興奮的挑戰(zhàn)！”