Forfatter: Jessica Schober, Dmitry Badyukov, Malte Hemmerich,Novanta Applikationer Laboratorium
Hårnåle spiller en afgørende rolle ved fremstilling af statorer til elektriske motorer og generatorer. Hårnålen er en rektangulær kobbertråd belagt med et organisk isoleringslag, som har fordelene ved højere spaltefyldningshastighed og motoreffektivitet sammenlignet med runde og fleksible isolerede kobbertråde. Hårnålespolen er dog relativt tyk, hvilket giver udfordringer for traditionel viklingsteknologi og afisolering af isoleringsmaterialer. Derudover kræves der omfattende svejsearbejde for at fastgøre hårnålene efter statormontering.
For at opnå en effektiv og højkvalitets lodning af hårnåleender skal kobbertrådsoverfladen være ren og fri for rester. Renheden af hårnåleoverfladen påvirker direkte svejsekvaliteten og motorens generelle ydeevne. Derfor skal der bruges en meget vigtig proces i hårnåleproduktionsprocessen - hårnåleisoleringslagstripping for at fjerne isoleringen eller porcelænsmaterialet på den rektangulære kobberprofil. Novanta arbejder sammen med mange industriledere i hårnåleisoleringsprocessen. Anvendelseskrav omfatter typisk afisolering af ca. 30 mm af alle fire sider af en rektangulær kobberprofil, der måler ca. 3 mm x 1,5 mm og hårnåleisolering. Stripningsprocessen skal afsluttes inden for en kort behandlingscyklus, typisk mindre end 1,5 sekunder.
Materiale og bølgelængde
For at bestemme den bedste metode til hårnåleisoleringstripningproces, var det nødvendigt med en dybdegående analyse af materialet og dets absorptionsspektrum for de industrielle laserbølgelængder, der var tilgængelige på markedet. Almindeligt anvendte isoleringsmaterialer i hårnåle omfatter organiske kompositter såsom polyamid (PA), polyether (PE) og polyimid (PI), baseret på rent kobber. Målet med denne proces er effektivt at fjerne hele det organiske isoleringslag og samtidig sikre ingen skader på underlaget.
Gennem analyse fandt vi ud af, at det organiske isolerende lag udviser betydelige absorptionsegenskaber ved længere bølgelængder inden for det fjerninfrarøde spektrum. Derfor mener vi, at CO₂-lasere er den bedste løsning tilfjernelse af isolering fra kobbertråde. Vores Synrad CO₂-lasere fås i 9,3μm, 10,2μm og 10,6μm bølgelængdemuligheder, hvilket giver en række forskellige spektralområder, der stemmer overens med absorptionskurverne for forskellige isoleringsmaterialer. Derudover udviser disse lasere høj reflektivitet på rene kobbersubstrater, hvilket sikrer effektiv fjernelse af isolerende lag, samtidig med at risikoen for misfarvning eller overflademodifikation minimeres.
Selvom CO₂-lasere effektivt kan fjerne de fleste isoleringsmaterialer, kan en tynd rest på 1-2μm tykkelse forblive på den reflekterende kobberoverflade, som ikke effektivt kan fjernes med fjerninfrarød stråling alene. Derfor bruger vi en laveffekt nanosekund fiberlaser i det andet procestrin for at sikre fuldstændig fjernelse af dette resterende lag. Fiberlaseren har bedre absorptionsegenskaber i underlaget, hvilket muliggør grundig eksfoliering og samtidig beskytter kobberoverfladen mod overdreven opvarmning og overflademodifikation.
Mens alternative metoder såsom laserablation ved hjælp af flere kortpulslasere eller en enkelt, kraftigere fiberlaser er tilgængelige til at fjerne isoleringslaget, tilbyder vores totrinsproces enestående fordele med hensyn til effektivitet, kvalitet og behandlingshastighed.
Den egentlige ablationsproces af førstnævnte kan normalt ikke opfylde hastighedskravene og kan ikke skelne mellem isoleringsmaterialet og substratet; på den anden side vil brug af en enkelt stærkere fiberlaser medføre mere alvorlige termiske skader og overflademodifikationer på underlaget.
Derudover kræver begge alternativer en højere investering i laserkilden, så to-trinsmetoden forbliver en ideel løsning til hårnåleisoleringsprocessen, der opnår en god balance mellem effektivitet, kvalitet og omkostningseffektivitet.
