Ultraschallsensoren mit IO-Link erkennen doppelte Elektrodenfolien stets zuverlässig. (Quelle: Pepperl+Fuchs).
Die Qualität jeder Batteriezelle beginnt bei ihrer kleinsten Einheit – dem präzisen Zusammenspiel von zwei Elektroden und einem dazwischenliegenden Separator. Abhängig vom Zelltyp werden diese Schichten entweder im Z-Folding-Verfahren gestapelt oder um einen Wickeldorn gelegt. In beiden Fällen ist eine fehlerfreie Handhabung der hauchdünnen Materialien entscheidend. Bei diesen Schritten sorgen die industriellen Sensoren von Pepperl+Fuchs für reibungslose Prozesse, zum Beispiel bei der Kontrolle auf Doppellagen im Stapelprozess.
Da Elektrodenfolien nur wenige Mikrometer dünn sind, besteht die Gefahr, dass sie elektrostatisch aneinanderhaften. Für die Zellqualität ist allerdings wesentlich, dass immer nur ein Folienblatt vom Vakuumgreifer aufgenommen und abgelegt wird, weil sonst eine fehlerhafte Schichtfolge von Anode und Kathode entsteht. Ebenso kritisch ist es, wenn keine Folie abgelegt wird. Um solche Fehler zu erkennen, kommen IO-Link-fähige Doppelbogensensoren auf Ultraschallbasis zum Einsatz. Mithilfe von Ultraschallimpulsen überwachen sie den Materialfluss und erkennen, ob eine doppelte Lage zugeführt wurde. Zum Prozess erklärt Michael Förste, Key Account Manager Automotive bei Pepperl+Fuchs: „Aufgrund der berührungslosen Detektion können die empfindlichen Folien nicht beschädigt werden. Das robuste Ultraschall-Messprinzip sorgt außerdem dafür, dass weder die Farbe noch die Reflexionseigenschaften der Folien das Detektionsvermögen beeinflussen.“ Zusätzlich ermöglicht die integrierte IO-Link-Schnittstelle eine vereinfachte Konfiguration, auch im laufenden Betrieb. Die Echtzeitüberwachung von Prozessdaten eröffnet ferner neue Potenziale für die Maschinenanalyse und -wartung. Dadurch lassen sich die Doppelbogensensoren optimal einstellen, was Fehldetektionen reduziert und die Anlagenverfügbarkeit erhöht.
3D-Sicht auf Qualität
Sobald die Elektrodenfolien präzise gestapelt oder gewickelt sind, folgen als nächste Schritte in der Zellfertigung das Einfüllen des Elektrolyts und das gasdichte Verschließen der Zelle. In der klassischen Batteriearchitektur werden anschließend mehrere solcher Zellen zu einem Batteriemodul zusammengeführt oder direkt in das Battery Pack integriert. Auch hierbei unterstützt Pepperl+Fuchs mit optimal abgestimmter Sensorik, zum Beispiel um die Qualität des bestückten Batteriemoduls zu kontrollieren.
„Vor der Weiterverarbeitung des Moduls muss überprüft werden, ob alle benötigten Zellen vorhanden, gerade ausgerichtet und ohne Überstand angeordnet sind. Um Verzögerungen in der Produktion zu vermeiden, ist es außerdem wichtig, dass diese Qualitätskontrolle ohne Zeitverzug stattfindet, während das Modul auf einem Förderband oder einer Rollenbahn transportiert wird“, erläutert M. Förste. Für diese Aufgabe stellt der SmartRunner Explorer 3-D die optimale Lösung dar. Der Vision-Sensor basiert auf Stereo-Vision-Technologie und erzeugt hochaufgelöste 3D-Punktwolkenbilder, die das Batteriemodul inklusive Zellpositionen und -geometrien vollständig abbilden.
Die intuitive Software ViSolution ermöglicht eine einfache, datenbasierte Parametrierung des Sensors inklusive Echtzeitvisualisierung. Die Vorverarbeitung der Messdaten übernimmt der Sensor selbst in seinem integrierten Field Programmable Gate Array (FPGA). „So erhalten unsere Kunden schnell und unkompliziert alle Daten, die sie für die Qualitätsprüfung der Batteriemodule brauchen“, fasst M. Förste zusammen.
Wärmemanagement im Blick
Nachdem die Module korrekt bestückt und verschlossen sind, werden sie in Packs eingesetzt. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Auftragen von Wärmeleitpaste. Denn bei jedem Lade- und Entladevorgang entsteht Wärme, die abgeleitet werden muss, um die Batterie vor Überhitzung zu schützen. Deshalb werden vor dem Einbau der Module häufig Bahnen von Wärmeleitpaste, sogenannte Gap Filler, in der Batteriewanne aufgebracht.
Die präzise Kontrolle dieser Gap-Filler-Raupen übernimmt ein Inspektionssystem der VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme GmbH. „Mit dem VMT SpinTop G2 lässt sich die Durchgängigkeit und Korrektheit der Gap-Filler-Bahnen kontrollieren – und das parallel zum Auftrag, sodass keine zusätzliche Auswertezeit nötig ist“, erläutert Joachim Kutschka, Senior Manager Sales & Product Management. Das System wird direkt am Roboterarm montiert und nutzt zwei rotierende Messeinheiten zur dreidimensionalen Erfassung des raupenförmig aufgebrachten Materials. Ein zusätzlich mitgeliefertes Technologiepaket ermöglicht eine einfache Kommunikation mit der Robotersteuerung, sodass das Inspektionssystem entsprechend ausgerichtet wird.
Bei der neuesten SpinTop-Generation hat VMT die Infrarot-Laser durch hochwertige Laser mit blauem und rotem Licht im sichtbaren Spektrum ersetzt. Das verbessert laut J. Kutschka die Aufnahmequalität bei größeren Entfernungen und auf dunklen Oberflächen signifikant. Zudem wurde die Scanrate auf bis zu 900 Scans pro Sekunde erhöht, bei doppelter Auflösung. Das eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten, wie etwa die Inspektion der Dichtraupen am Wannenrand, die für die abschließende Abdichtung des Batteriegehäuses aufgebracht werden. „Diese Dichtungen sind oft nur wenige Millimeter dick und erfordern daher eine hochauflösende Sensorik. Besonders dank der verdoppelten Auflösung des SpinTop G2 können wir nun herausfordernde Aufgaben wie diese noch besser lösen“, freut sich J. Kutschka.