Autor: Jessica Schober, Dmitry Badyukov, Malte Hemmerich,Novanta-Anwendungslabor
Bei der Herstellung von Statoren für Elektromotoren und Generatoren spielen Haarnadeln eine entscheidende Rolle. Bei der Haarnadel handelt es sich um einen rechteckigen Kupferdraht, der mit einer organischen Isolationsschicht beschichtet ist und im Vergleich zu runden und flexiblen isolierten Kupferdrähten die Vorteile einer höheren Schlitzfüllrate und Motoreffizienz bietet. Allerdings ist die Haarnadelspule relativ dick, was die traditionelle Wickeltechnik und das Abisolieren von Isoliermaterialien vor Herausforderungen stellt. Darüber hinaus sind umfangreiche Schweißarbeiten erforderlich, um die Haarnadeln nach der Statormontage zu befestigen.
Um eine effiziente und qualitativ hochwertige Verlötung von Haarnadelenden zu erreichen, muss die Kupferdrahtoberfläche sauber und frei von Rückständen sein. Die Sauberkeit der Haarnadeloberfläche wirkt sich direkt auf die Schweißqualität und die Gesamtleistung des Motors aus. Daher muss im Haarnadel-Produktionsprozess ein sehr wichtiger Prozess angewendet werden – das Abisolieren der Haarnadel-Isolierschicht, um die Isolierung oder das Porzellanmaterial auf dem rechteckigen Kupferprofil zu entfernen. Novanta arbeitet mit vielen Branchenführern im Hairpin-Abisolierverfahren zusammen. Zu den Anwendungsanforderungen gehören typischerweise das Abisolieren von etwa 30 mm an allen vier Seiten eines rechteckigen Kupferprofils mit den Maßen etwa 3 mm x 1,5 mm und eine Haarnadelisolierung. Der Abisoliervorgang muss innerhalb eines kurzen Verarbeitungszyklus, typischerweise weniger als 1,5 Sekunden, abgeschlossen sein.
Material und Wellenlänge
Um die beste Methode für die Haarnadelisolierung zu ermittelnStrippenFür diesen Prozess war eine eingehende Analyse des Materials und seines Absorptionsspektrums für die am Markt verfügbaren industriellen Laserwellenlängen erforderlich. Zu den häufig verwendeten Isoliermaterialien in Haarnadeln gehören organische Verbundwerkstoffe wie Polyamid (PA), Polyether (PE) und Polyimid (PI) auf Basis von reinem Kupfer. Das Ziel dieses Prozesses besteht darin, die gesamte organische Isolierschicht effektiv zu entfernen und gleichzeitig sicherzustellen, dass das Substrat nicht beschädigt wird.
Durch Analysen haben wir herausgefunden, dass die organische Isolierschicht bei längeren Wellenlängen im fernen Infrarotspektrum erhebliche Absorptionseigenschaften aufweist. Daher glauben wir, dass CO₂-Laser die beste Lösung dafür sindEntfernen der Isolierung von Kupferdrähten. Unsere Synrad CO₂-Laser sind in den Wellenlängenoptionen 9,3 μm, 10,2 μm und 10,6 μm erhältlich und bieten eine Vielzahl von Spektralbereichen, die den Absorptionskurven verschiedener Isoliermaterialien entsprechen. Darüber hinaus weisen diese Laser ein hohes Reflexionsvermögen auf reinen Kupfersubstraten auf, was eine effiziente Entfernung isolierender Schichten gewährleistet und gleichzeitig das Risiko von Verfärbungen oder Oberflächenmodifikationen minimiert.
Obwohl CO₂-Laser die meisten Isoliermaterialien effektiv entfernen können, kann auf der reflektierenden Kupferoberfläche ein dünner Rückstand von 1-2μm Dicke zurückbleiben, der durch Ferninfrarotstrahlung allein nicht effektiv entfernt werden kann. Deshalb nutzen wir im zweiten Prozessschritt einen Nanosekunden-Faserlaser mit geringer Leistung, um eine vollständige Entfernung dieser Restschicht sicherzustellen. Der Faserlaser verfügt über bessere Absorptionseigenschaften im Substrat, was eine gründliche Ablösung ermöglicht und gleichzeitig die Kupferoberfläche vor übermäßiger Erwärmung und Oberflächenveränderung schützt.
Während zur Entfernung der Isolationsschicht alternative Verfahren wie die Laserablation mittels mehrerer Kurzpulslaser oder ein einzelner, leistungsstärkerer Faserlaser zur Verfügung stehen, bietet unser zweistufiges Verfahren herausragende Vorteile hinsichtlich Effektivität, Qualität und Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Der eigentliche Ablationsprozess des ersteren kann in der Regel die Geschwindigkeitsanforderungen nicht erfüllen und nicht zwischen dem Isoliermaterial und dem Substrat unterscheiden; Andererseits führt die Verwendung eines einzelnen stärkeren Faserlasers zu stärkeren thermischen Schäden und Oberflächenmodifikationen am Substrat.
Darüber hinaus erfordern beide Alternativen eine höhere Investition in die Laserquelle, sodass die zweistufige Methode weiterhin eine ideale Lösung für den Haarnadel-Abisolierprozess darstellt und ein gutes Gleichgewicht zwischen Effizienz, Qualität und Kosteneffizienz erreicht.
