CETAL | PTE Projects (PN-III-P2-2.1-PTE-2021) | PTE 88/2022

PTE88/2022

 

PTE 88 Project


English (Engleză)
Project number: PN-III-P2-2.1-PTE-2021-0670
Project title: Laser welding technology for electric energy storage systems in lithium-ion batteries

Financial support:
Romanian National Authority for Scientific Research and Innovation, CNCS-UEFISCDI

Periode: June 2022 - June 2024

Contact Person:
Project Director PRIME BATTERIES TECHNOLOGY: Ing. Vicentiu CIOBANU
INFLPR Project manager: Dr. Ing. Andrei Popescu

Coordinator:
PRIME BATTERIES TECHNOLOGY S.R.L.,
Splaiul Unirii, nr.84, sector 4, Municipiul Bucureşti
Partner: National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics - I.N.F.L.P.R.
Atomiștilor 409, Măgurele, Romania

Abstract:
In the near future, car engines on fossil fuel will be replaced by electric engines. In Western Europe, this change in generations is currently taking place at an accelerated pace, while Romania remains behind in terms of consumer interest for electrical or hybrid engines. Because our country has to align to the new European directives, the replacement of fossil fuel engines will take place later, but at an accelerated pace. The company Prime Batteries Technology envisaged the imminent development of this field and wishes to become a national leader in production of electrical batteries. The company wishes to solve the technology limitations in its factories. Electrical batteries contain components made of dissimilar materials, difficult to weld because of very different physical properties or crystalline structure. The Company contacted CETAL (Center for Advanced Laser Technologies), an excellence center of the National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics, in order to produce in cooperation an automatized laser welding experimental equipment dedicated to join dissimilar materials. The two teams will design, assemble and test a robotized system that will guide the laser beam generated by a fiber laser source. The system will be equipped with video cameras and software for detection of guiding elements on batteries for optics positioning in view of welding dissimilar elements. In parallel, CETAL will conduct studies to develop a dissimilar materials laser welding technology so that the joints to fulfill all technological requirements for electrical batteries. The combined teams will integrate the laser welding equipment in the company’s production line and will correlate all automatized components. The Project will end with an experimental model for laser welding and welding technology for dissimilar materials.

Project objective:
The main objective of the project is to introduce on the assembly line of rechargeable electric batteries an integrated laser welding equipment that will allow them independence in the process of non-removable joining of heterogeneous elements in their own production space, without having to resort to other foreign companies for the execution of this service. The project proposes the realization of a technological transfer of laser welding for electricity storage systems from the research organization INFLPR to the company PRIME.

Estimated results:
- participation in an international conference
- 2 patent applications
- 1 scientific article
- 2 intermediate technical progress reports
- 1 final technical report
- Integrated laser welding equipment fully assembled
- System for positioning, orientation and fixing the welding elements
- Prototype of an electricity storage product
- Technical documentation of laser welding technology and integrated equipment for welding heterogeneous materials
- User manual for the integrated equipment
- Technical-economic analysis documentation

Research Team:
PRIME:
• Ing. Vicentiu Florentin CIOBANU
• Ing. Vlad BACUE
• Ing. Vlad COLCERU
INFLPR:
• Dr. Andrei POPESCU
• Dr. Diana CHIOIBASU
• PhD student Sabin MIHAI
• PhD student Razvan Marian MIHALCEA
• Dr. Cosmin DOBREA
• Dr. Ion TISEANU





Română (Romanian)
Numar proiect: PN-III-P2-2.1-PTE-2021-0670
Titlul proiectului: Tehnologie de sudare cu laser pentru sisteme de stocare a energiei electrice in baterii litiu-ion

Suport financiar:
Autoritatea Nationala Romana pentru Cercetare Stiintifica si Inovare, CNCS-UEFISCDI

Perioada: Iunie 2022 – Iunie 2024

Persoana de contact:
Director de proiect PRIME BATTERIES TECHNOLOGY: Ing. Vicentiu CIOBANU
Responsabil Proiect Partener INFLPR: Dr. Ing. Andrei Popescu

Coordonator:
PRIME BATTERIES TECHNOLOGY S.R.L.,
Splaiul Unirii, nr.84, sector 4, Municipiul Bucureşti
Partener:
Institutul National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei – I.N.F.L.P.R
Atomiștilor 409, Măgurele, Romania

Abstract:
In viitorul apropiat motoarele pe combustibili fosili ale vehiculelor vor fi inlocuite de motoare electrice. In Europa de Vest aceasta schimbare de tehnologie are loc in prezent la un ritm accelerat, in timp ce Romania este mult in urma in privinta interesului consumatorului pentru vehicule electrice sau hibride. Deoarece tara noastra trebuie sa urmeze noile directive europene, inlocuirea motoarelor cu combustibili fosili se va face mai tarziu, dar la un ritm accelerat. Compania Prime Batteries Technology a intuit dezvoltarea iminenta a acestui domeniu si doreste sa se impuna ca lider national in producerea de baterii electrice. Firma doreste sa rezolve limitarile tehnologiei de productie la nivel national. Bateriile electrice contin componente din elemente eterogene dificil de sudat din cauza proprietatilor fizice si structurii cristaline foarte diferite. Compania a apelat la CETAL (Centrul de Tehnologii Avansate cu Laser), un centru de excelenta al Institutului National de Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei, pentru a produce in cooperare un echipament experimental automatizat pentru sudare cu laser a materialelor eterogene. Cele doua echipe vor proiecta, asambla si testa un sistem robotizat care ghideaza fasciculul de la o sursa laser cu fibra optica la piesele de sudat. Sistemul va fi dotat cu camere video si software pentru detectia elementelor de ghidaj care vor facilita pozitionarea opticii pentru sudarea elementelor eterogene. CETAL va efectua in paralel si studii pentru a dezvolta o tehnologie laser de sudare a materialelor eterogene, astfel incat jonctiunile sa indeplineasca toate cerintele tehnologice pentru baterii electrice. Cele doua echipe vor testa echipamentul de sudare laser in conditii relevante industrial si vor corela toate componentele automatizate. Proiectul se va finaliza cu o tehnologie de sudare a elementelor eterogene si un model experimental de sudare laser.

Obiectivul proiectului:
Obiectivul principal al proiectului este introducerea pe linia de asamblare a bateriilor electrice reincarcabile un echipament integrat de sudare laser care sa le permita independenta in procesul de imbinare nedemontabila a elementelor din materiale eterogene in propriul spatiu de productie, fara a mai fi nevoita sa apeleze la alte companii din strainatate pentru executia acestui serviciu. Proiectul propune realizarea unui transfer tehnologic de sudare cu laser pentru sisteme de stocare a energiei electrice de la organizatia de cercetare INFLPR catre compania PRIME.

Rezultate estimate:
- participarea la o 1 conferinta internationala
- 2 cereri de brevet de inventie
- 1 articol stiintific
- 2 rapoarte tehnice de progres intermediare
- 1 raport tehnic final
- Echipament integrat de sudare laser complet asamblat
- Sistem de pozitionare, orientare si fixare a elementelor de sudat
- Prototip al unui produs de stocare a energiei electrice
- Documentatie tehnica a tehnologiei de sudare laser si a echipamentului integrat de sudare a materialelor eterogene
- Manual de utilizare a echipamentului integrat
- Documentatie de analiza tehnico-economica

Echipa de cercetare:
PRIME:
• Ing. Vicentiu Florentin CIOBANU
• Ing. Vlad BACUE
• Ing. Vlad COLCERU
INFLPR:
• Dr. Andrei POPESCU
• Dr. Diana CHIOIBASU
• PhD student Sabin MIHAI
• PhD student Razvan Marian MIHALCEA
• Dr. Cosmin DOBREA
• Dr. Ion TISEANU

RESULTS:

Etapa 1
In aceasta etapa a proiectului PTE88, am identificat elementente constituente si caracteristicile tehnice ale acestora in vederea constructiei echipamentului integrat de sudare laser a tab-urilor fabricate din materiale eterogene din componenta bateriilor electrice reincarcabile.
A fost realizata o etapa de proiectare conceptuala pe baza cerintelor tehnico-economice formulate de catre ambele unitati participate in vederea determinarii solutiei optime a echipamentului integrat de sudare laser. In timpul desfasurarii procesului de proiectare s-au avut in vedere strategiile de atenuare a deficientelor procesului in vederea posibilitatii de crestere a perfomantelor si riscurile privind siguranta operatorului in timpul procesarii.
S-a realizat procesul de triere a modelelor conceptuale pentru identificarea solutiei optime pe baza procesului de ierarhizare analitica – AHP si s-au identificat componentele necesare pentru constructia echipamentului integrat de sudare laser.
Pe baza modelui optim identificat in urma procesului de triere a conceptelor s-au identificat caracteristicile tehnice ale subansamblelor din componenta echipamentului integrat de sudare laser.
Gradul de realizare al activitatilor si rezultatele estimative verificabile care corespund acestora a fost indeplinit complet. - Un sumar al progresului (livrabile realizate, indicatori de rezultat, diseminarea rezultatelor, justificare diferențe, dacă e cazul);
Rezultatele au fost diseminate prin publicarea unei cereri de brevet de inventie si sapte prezentari orale la conferinte internationale si nationale dupa cu urmeaza:
- Cerere de brevet de inventie
• D. Chioibasu, S. Mihai, V. Ciobanu, A. Popescu „Metodă de sudare laser a contactelor între ce-lulele bateriilor electrice din materiale eterogene Cu – Al utilizând un dispozitiv de menținere în contact rigid și monitorizare prin imagistică termică” (A/00471/03.08.2022)

Etapa 2
In aceasta etapa a proiectului PTE88, s-au stabilit caracteristicile tehnice finale ale subansamblelor necesare construcției sistemului pilot de procesare laser, care au fost descrise in detaliu in caietul de sarcini întocmit pentru procedura de achiziție publica.
Pe baza proiectului tehnic, s-a construit sistemul pilot de sudare laser care dispune de 2 grade de libertate pentru a permite sudarea laser a contactelor formate din materiale eterogene (Al-CuNi). S-au realizat teste pentru definitivarea parametrilor de procesare laser prin trasarea unor linii cu lungime de 30 mm folosind diferite puteri, viteze si distante. Pentru cuplul de materiale Al-CuNi s-a utilizat 700 W puterea laserului, la viteza de scanare de 300 mm/s si distanta intre linii de 0.3 mm, iar pentru CuNi subțire – CuNi gros 500 W, 400 mm/s si respectiv 0.6 mm. S-a testat rezistenta sudurilor prin tragere, pana la distrugerea materialelor si calitatea acestora prin analize de microscopie optica.
S-a identificat si fabricat soluția potrivita pentru sistemul de poziționare, orientare si fixare a materialelor eterogene ce urmează a fi sudate laser, care sa îndeplinească nevoile beneficiarului economic. S-au validat parametrii de procesare si funcționare a sistemului de poziționare, orientare si fixare prin sudarea contactelor unui modul reîncărcabil de stocare a energiei electrice.
Verificarea îndeplinirii cerințelor impuse de partenerului economic s-a realizat prin analizarea contactului intre tab-uri utilizând o metoda nedistructiva cu raze X, monitorizarea temperaturii, testarea rezistentei electrice si la vibrații.
Nivelul de maturitate tehnologica 6 a fost atins prin demonstrarea funcționalitatea sistemului pilot construit si cea a produsului final rezultat, îndeplinirea criteriilor de performanta impuse de beneficiarul industrial, definirea caracteristicilor tehnice ale sistemului pilot, validarea parametrilor optimi de procesare laser si implementarea tehnologiei de sudare laser in mediul relevant industrial.
Rezultatele au fost diseminate prin solicitarea a doua cereri de brevet de invenție, un articol științific si participarea la un workshop industrial după cu urmează:
- Cereri de brevet de inventie
• D. Chioibasu, S. Mihai, V. Ciobanu, A. Popescu „Metodă de sudare laser a contactelor între celulele bateriilor electrice din materiale eterogene Cu – Al utilizând un dispozitiv de menținere în contact rigid și monitorizare prin imagistică termică” (A/00471/03.08.2022)
• D. Chioibasu, S. Mihai, V. Toma, A. Popescu, “Procedeu de caracterizare in timp real a calității materialelor compozite obținute prin tehnica de depunere laser prin topire” (A/00614/27.10.2023)

- Articol științific
• Muhammad Arif Mahmood; Diana Chioibasu; Sajjad Uzair; Sabin Mihai; Ion Tiseanu; Andrei C. Popescu, Printed Layers Height Calibration Curve and Porosity in Laser Melting Deposition of Ti6Al4V combining Experiments, Mathematical Modelling, and Deep Neural Network. Rapid Prototyping Journal (2023), acceptat spre publicare in 27.11.2023.

- Participarea si organizarea unui workshop industrial „First French-Roumanian Industrial Workshop Devoted to Novel Applications of Laser Processing - IREPA LASER – CETAL (Strasbourg, 6 & 7 June 2023)