Zerstörungsfreie Prüfung von Batteriezellen und Modulen

Mit der rasanten Entwicklung der Elektromobilität ist die Produktion von Batterien und zugehörigen Komponenten wie Modulen und Packs in den letzten Jahren stark gestiegen. Allerdings hält die Qualitätskontrolle dieser komplexen Bauteile oft nicht Schritt mit der raschen Industrialisierung. Genau hier kommt das zerstörungsfreie Prüfsystem ins Spiel, um Sicherheitsrisiken zu minimieren und Prozesse zu optimieren. In der modernen Batteriefertigung spielen verschiedene Faktoren eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Energiespeichern. Ein wesentlicher Aspekt ist die Elektrolytverteilung in der Batteriezelle. Sowohl bei prismatischen, zylindrischen als auch bei Pouchzellen kann mithilfe des Lea-Verfahrens erkannt werden, ob das Elektrolyt gleichmäßig verteilt ist. Dies gilt insbesondere nach der Formation, das heißt dem ersten kontrollierten Lade- und Entladeprozess, in dem sich die endgültige chemische Struktur der Zelle ausbildet. Frühzeitig identifizierte Mängel wie unzureichend benetzte Bereiche lassen sich noch vor dem Einbau in Module oder Packs aussortieren, sodass Fehlchargen in weiterführenden Produktionsschritten vermieden werden. Darüber hinaus erhalten Forschende und Prozessverantwortliche wertvolle Daten, um ihre Zellfertigungsprozesse kontinuierlich zu optimieren.

Sobald die einzelnen Zellen zu Modulen zusammengefasst werden, rückt die Wärmeleitpaste in den Fokus. Der Thermoleitkleber im Batteriemodul oder in der Batteriewanne sorgt für eine gute Wärmeabfuhr nach außen, eine entscheidende Eigenschaft bei Elektrofahrzeugen, um Brände zu vermeiden. Eine korrekte Verteilung der Wärmeleitpaste ist essenziell, um ein effizientes Wärmemanagement sicherzustellen und Überhitzungen oder Hotspots zu vermeiden. „Gerade in der Automobilbranche, in der Qualitätssicherung eine unabdingliche Rolle spielt, bietet die Möglichkeit zerstörungsfrei und automatisiert zu prüfen – beispielsweise Batterien auf Thermoleitpastenanbindung – eine erhebliche Kostenersparnis zum derzeitigen manuellen und zerstörenden Prüfverfahren“, erklärt Ryan Sommerhuber, Vertriebsleiter bei Xarion Laser Acoustics. Das Lea-Prinzip ermöglicht hier eine zerstörungsfreie Prüfung, die selbst dann funktioniert, wenn Kühlkanäle in der Kühlplatte integriert sind und die Oberfläche uneben ist. Dank einseitiger Messung und berührungsloser Schallregistrierung werden Unregelmäßigkeiten in der Paste zielsicher aufgespürt. Das ist mit herkömmlichen Ultraschallmessgeräten unmöglich, weil sie aufgrund der unebenen Oberfläche nicht angekoppelt werden können. In einem Röntgen- oder CT-Bild wiederum können Anbindungsfehler leicht übersehen werden, weil die Ablösungen so dünn sein können, dass sie das Auflösungsvermögen eines CTs überschreiten.

Auch Busbar Welds, also die Schweißverbindungen zwischen den einzelnen Zellen oder Zellverbunden, lassen sich mithilfe dieses Verfahrens zuverlässig überprüfen (Bild 5). Häufig werden solche Verbindungen klassisch über Widerstandsmessungen beurteilt. Das liefert jedoch nicht immer aussagekräftige Ergebnisse: Selbst bei guter Kontaktleitfähigkeit können strukturelle Mängel wie Anbindungsfehler (lack of fusion) vorliegen, die sich erst später als Sicherheitsrisiko erweisen. Mit dem Lea-Verfahren erkennt man diese Fehler bereits frühzeitig: Ein sogenanntes Ultraschall-C-Bild gibt Aufschluss über die Schweißnahtqualität, indem es problematische Stellen genau abbildet. Auf diese Weise lassen sich Ausfälle und Rückrufaktionen im Voraus minimieren und die Batteriemodule sicher in den weiteren Produktionsprozess überführen.

Einzelschussmessung für die Mikroelektronik

In der Welt der Mikroelektronik können oft winzigste Fehlstellen – etwa Delaminationen, Lufteinschlüsse oder unzureichend versiegelte Verbindungen in Chips, Sensoren oder Leiterplatten – die Funktionalität und Zuverlässigkeit des gesamten Bauteils drastisch beeinträchtigen. Solche Defekte könnten prinzipiell auch durch ein zeilenweises Abscannen des gesamten Bauteils erfasst werden. Das Inspektionssystem bietet jedoch eine besonders effiziente Alternative, die sich ideal für die Serienfertigung eignet: die Einzelschussmessung. Das Bauteil wird hierfür einmalig mit einem Laserpuls angeregt. Anhand dieses einzelnen Impuls-Echos wird erkannt, ob beispielsweise Delaminationen oder Fehlverklebungen vorliegen – ganz ohne aufwendiges, flächiges Scannen. Da das optische Mikrofon alle entstehenden Schallwellen unmittelbar „hört“, lassen sich, je nach Anlagenkonfiguration, mehrere hundert bis tausende Teile pro Minute überprüfen.

Diese hohe Geschwindigkeit ermöglicht ein effizientes automatisiertes Sortieren direkt im Produktionsablauf: Defekte Bauteile lassen sich sofort ausschleusen, was unnötige Folgeschritte verhindert und insgesamt Material- und Zeitersparnis schafft. Darüber hinaus generiert das Einzelschussverfahren wertvolle Qualitätsdaten, die sich langfristig speichern und mithilfe moderner Auswertungsmethoden (z. B. KI) analysieren lassen. So erhalten Unternehmen laufend Einblicke in Prozessschwankungen und können Fertigungsparameter gezielt anpassen, um ihren Durchsatz zu maximieren und den Ausschuss zu minimieren.

Fazit

Die beschriebenen Beispiele zeigen, wie vielseitig die berührungslose Ultraschalltechnik von Xarion Laser Acoustics einsetzbar ist. Ob in der Automobilbranche, der Batteriefertigung, der Mikroelektronik oder der Luft- und Raumfahrt – überall profitieren Unternehmen von effizienteren Prozessen und höherer Zuverlässigkeit ihrer Produkte. Der Verzicht auf Koppelmittel, die Möglichkeit zur automatischen Prozessüberwachung und flexible Prüfverfahren wie Einzelschussmessungen oder 3D-Scans eröffnen neue Wege in der Qualitätssicherung. Mängel können schneller und präziser erkannt, Ausschuss drastisch reduziert und Kosten signifikant gesenkt werden. Zugleich bieten umfassende Analysen und Echtzeitüberwachung einen großen Wissensvorsprung, der die stetige Weiterentwicklung von Fertigungslinien ermöglicht. So entsteht eine Form der Qualitätssicherung, die nicht nur auf isolierte Prüfstationen beschränkt bleibt, sondern sich bis in vollautomatisierte Produktionsanlagen erstreckt und damit den Anforderungen zunehmend komplexer Produkte gerecht wird.     

Literatur

1. Xarion Laser Acoustics GmbH, Wien (Österreich): https://Xarion.com