בתהליך החיתוך, סוגיות כמו שחיקה מהירה של עובש, זמני שינוי עובש ארוכים, גמישות לקויה ויעילות ייצור נמוכה מובילות לעתים קרובות לתהליכים לא יציבים, וכתוצאה מכך איכות חיתוך אלקטרודות לא עקבית ולביצועי הסוללה מופחתים. חיתוך לייזר, בשל היתרונות שלו ללא סטיית רטט, דיוק גבוה, יציבות טובה ואין צורך בהחלפת עובש, הפך בהדרגה למיינסטרים בייצור סוללות ליתיום. הוא משמש בדרך כלל בתהליכים כמו חיתוך כרטיסיות, חיתוך גיליון אלקטרודות וחריכה מפריד.
מאפיינים של חיתוך למות אלקטרודה סוללהמְכוֹנָה:
1. פערים מוגזמים, לא מספיקים או לא אחידים עלולים לגרום לבלים.
2. קצוות חיתוך משעממים או פגומים יכולים לייצר קצים.
3. תנאי חיתוך לא תקינים, כמו מגע לקוי בין חומר העבודה לאגרוף או למות, או גובה מיקום לא תקין במהלך גיזום ואגרוף, יכולים גם לגרום לחבורים אם גובה חומר העבודה נמוך מגובה המיקום, וכתוצאה מכך מתאים לקוי בין צורת העבודה לבין חיתוך החיתוך.
4. עליית טמפרטורת העובש במהלך הפעולה עלולה לגרום לשינויי פערים, מה שמוביל לבלילים בגיליונות האלקטרודה החתוכים.
מאפיינים שלאלקטרודה סוללהמכונת חיתוך לייזר:
1. פערי חיתוך צרים.
2. אזור קטן הנגוע בחום בסמוך לקצה החיתוך.
3. עיוות מקומי מינימלי.
4. חיתוך ללא מגע, נקי, בטוח ונטול זיהום.
5. שילוב קל עם ציוד אוטומטי, הקלה על אוטומציה של תהליכים.
6. אין מגבלות על חיתוך יצירות עבודה; לקורות לייזר יכולות פרופיל.
7. אינטגרציה עם מחשבים, חומרים שמור.
בהתחשב במפגעי הבטיחות המשמעותיים הנובעים על ידי Burrs מחיתוך מתים מכני בסוללות כוח, חיתוך לייזר צפוי להיות השיטה העיקרית בעתיד.
איור 1: חיתוך מת
עקרון חיתוך לייזר:
קרן לייזר צפיפות עוצמה גבוהה ממוקדת מקרינה את גיליון האלקטרודה של הסוללה לחתוך, מחממת אותה במהירות לטמפרטורה גבוהה, וגורמת לה להמיס, להתאדות, לבלט או להגיע לנקודת ההצתה, ויוצרים חורים. כאשר הקורה עוברת על פני הסדין, חורים אלה יוצרים חתך צר רציף ומשלים את חיתוך גיליון האלקטרודה.
איור 2: תרשים סכמטי של עקרון חיתוך לייזר
פרמטרי תהליך עיקריים של חיתוך לייזר:
① מצב Beam:
ככל שמצב הקורה נמוך יותר, כך גודל הנקודה הממוקד קטן יותר, כך צפיפות ההספק וצפיפות האנרגיה גבוהה יותר, כך החיתוך הצרים יותר, ויעילות החיתוך ואיכות גבוהה יותר.
② קוטביות של קרן הלייזר:
כמו כל סוג של העברת גל אלקטרומגנטי, לקרן לייזר יש רכיבים וקטוריים חשמליים ומגנטיים הניכבים זה לזה ולכיוון התפשטות הקורה. באופטיקה, הווקטור החשמלי נחשב לכיוון הקיטוב של קרן הלייזר. כאשר כיוון החיתוך מקביל לכיוון הקיטוב, חזית החיתוך סופגת את הלייזר בצורה היעילה ביותר, וכתוצאה מכך חיתוך צרה, חתוך נמוך בניצב וחספוס, ומהירות חיתוך גבוהה.
③ כוח לייזר:
חיתוך לייזר מחייב את קרן הלייזר להיות ממוקדת לקוטר הנקודה הקטנה ביותר עם צפיפות הכוח הגבוהה ביותר. כוח הלייזר הנדרש לחיתוך תלוי בעיקר בסוג החיתוך ובתכונות של החומר שנחתך. חיתוך אידוי דורש את כוח הלייזר הגבוה ביותר, על ידי חיתוך התכה, וחיתוך התכה בסיוע חמצן דורש הכי פחות.
נוסחת חישוב כוח ממוצעת:
כוח ממוצע=אנרגיה דופק יחיד × תדר
נוסחת חישוב כוח שיא:
כוח שיא=אנרגיית דופק / רוחב דופק יחיד
④ מיקום מיקוד:
מישור המוקד מעל לחומר העבודה הוא דמוקוס חיובי, ומתחת לחומר העבודה הוא דמוקוס שלילי. על פי תיאוריית האופטיקה הגיאומטרית, כאשר מטוסי הדמוקוס החיוביים והשליליים שווים משטח העיבוד, צפיפות ההספק במישורים המתאימים זהה בערך.
⑤ עומק המוקד:
העומק המוקד של מערכת המיקוד משפיע באופן משמעותי על איכות חיתוך הלייזר. אם העומק המוקד של הקורה הממוקדת קצר, זווית המיקוד גדולה וגודל הספוט משתנה באופן משמעותי בסמוך למוקד, צפיפות כוח הלייזר על פני החומר תשתנה מאוד עם עמדות מיקוד שונות, ותשפיע מאוד על החיתוך. לחיתוך לייזר, עמדת המיקוד צריכה להיות על פני השטח או מעט מתחת למשטח העבודה כדי להשיג את עומק החיתוך המרבי ואת רוחב החיתוך הקטן ביותר.
מכיוון שגיליונות אלקטרודות סוללות ליתיום-יון כוללים ציפוי דו צדדי + מבנה שכבת אספן מתכת אמצעית, ותכונות הציפוי ונייר המתכת נבדלות מאוד, גם התגובות שלהם לפעולה בלייזר נבדלות זו מזו. כאשר הלייזר פועל על שכבת הגרפיט השלילית או על שכבת חומר פעיל חיובי, בשל קצב ספיגת הלייזר הגבוה שלהם ומוליכות תרמית נמוכה, הציפוי דורש אנרגיית לייזר נמוכה יחסית להתכה ואידוי. לעומת זאת, אספן זרם המתכת משקף את הלייזר ובעל הולכה תרמית מהירה, ולכן אנרגיית הלייזר הנדרשת להתכה ואידוי של שכבת המתכת גבוהה יותר.
איור 3: הרכב נחושת וחלוקת טמפרטורה בכיוון העובי של אלקטרודה שלילית מצופה חד צדדית תחת פעולת לייזר
איור 3 מציג את הרכב הנחושת ואת חלוקת הטמפרטורה בכיוון העובי של אלקטרודה שלילית מצופה חד צדדית תחת פעולת לייזר. כאשר הלייזר פועל בשכבת הגרפיט, הגרפיט מתאדה בעיקר בגלל מאפייני החומר שלו. כאשר הלייזר חודר לנייר הנחושת, נייר הכסף מתחיל להתמוסס ויוצר בריכה מותכת. אם פרמטרי התהליך אינם הולמים, עלולות להתרחש בעיות: (1) ציפוי קילוף בקצה החתוך, וחושף את נייר הרדיד, כפי שמוצג בתמונה השמאלית של איור 4; (2) כמות גדולה של פסולת חיתוך סביב הקצה החתוך. סוגיות אלה יכולות להוביל להפחתת ביצועי הסוללה ובעיות איכות הבטיחות, כפי שמוצג בתמונה הנכונה של איור 4. לכן בעת שימוש בחיתוך לייזר, יש לייעל את פרמטרי התהליך על סמך תכונות החומר הפעיל ונייר מתכת כדי להבטיח חיתוך מוחלט של גיליון האלקטרודה ואיכות קצה חיתוך טוב מבלי לעזוב פסולת מתכת.
איור 4: בעיות חדישה: נייר נייר מתכת חשוף ופסולת חיתוך
הוראות שיפור לחיתוך לייזר:
1. יעילות חיתוך: הרמה הנוכחית של 60-90 m/min תמשיך להשתפר, עם רמה צפויה של 120-180 m/min תוך שלוש שנים.
2. איכות חיתוך: נכון לעכשיו, לא ניתן להשתמש ישירות בחיתוך לייזר באזורי חומר קתודה טרנרית. התקדמות עתידית בסוגי לייזר חדשים ותהליכי לייזר עשויה לאפשר חיתוך לייזר של חומרי קתודה טרנרית. בנוסף, ניתן לשפר את סוגיות האיכות כמו אזורים שנפגעו מחום, Burrs וחרוזים מותכים באמצעות יציבות מכנית ושיפור תהליכי לייזר.
3. יציבות ציוד: זה כולל שיפור היציבות של הציוד עצמו על ידי הגברת הזמינות התפעולית ומיטב מיטוב זמני העמסה ופריקה כדי לשפר את יעילות הציוד הכולל (OEE) וזמן הממוצע בין תקלות (MTBF). זה כרוך גם בשיפור עקביות באיכות המוצר על ידי שיפור מדד יכולת התהליך (CPK).
4 אינטליגנציה: השגת אינטליגנציה חד-מכונית ואז אינטליגנציה בשורה מלאה. שילוב גילוי מקוון, בקרת PLC ובקרת מחשב עליון לאינטליגנציה יחידה. ואז, על ידי חיבור למערכות מידע על המפעל ומיטב איסוף נתונים של מכונה יחידה, השגת אינטליגנציה בשורה מלאה.
