Elektroden, Separator und Brennstoffzellenlagen ausrichten: Lage und Versatz vor dem Stapeln prüfen

Eine gestapelte Batteriezelle und ein Brennstoffzellenstack entstehen auf dieselbe Weise: Lage auf Lage, und jede neue deckt die vorige ab. Dieser Beitrag richtet sich an Prozessingenieure in Pilotlinien für Zellen, an Entwicklungsteams für Brennstoffzellen und an die Maschinenbauer, die Z-Falter und CCM-Linien auslegen. Er geht die dokumentierten Anwendungen durch, in denen die Lage einer Elektrode, einer Folie, eines Substrats oder eines Gitters vor dem Stapeln geprüft oder ausgerichtet werden soll.

Wichtige Punkte im Überblick

Sobald die nächste Lage aufliegt, ist ein Versatz nur noch am fertigen Stapel zu erkennen und trifft die ganze Zelle oder den ganzen Stack, deshalb gehört die Prüfung direkt vor den Schritt, der die Lage verdeckt.
Für einen Z-Falter ist ein Aufbau beschrieben, der zwei Aufgaben trennt: Zeilenkameras inspizieren Anode und Kathode vor dem Stapeln, eigene Flächenkameras übernehmen das Ausrichten.
Für das Ausrichten ist die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS die erste Wahl, die nach der Kalibrierung über ein Schachbrett- oder Punktmuster Lage und Winkel des Blatts an die Steuerung der Servoachsen gibt.
Eine CCM-Linie verlangt die Lage von Aussparungen, Produkt auf dem Träger und zwei Lagen übereinander bei etwa ±0,2 mm und 1°, und im Konzept sind mehrere Köpfe des Inline Profilprojektors der Modellreihe TM-X5000 vorgesehen.
Die Bewegung entscheidet über die Kamera: Steht die Lage still, ist die Flächenkamera der kürzere Weg, bewegt sich ein Gitter oder ein langes Teil an der Kamera vorbei, setzt eine Zeilenkamera das Bild encodergesteuert Zeile für Zeile zusammen.

Was unter der nächsten Lage liegt, ist nicht mehr korrigierbar

Solange eine Lage offen liegt, lässt sie sich prüfen, verschieben oder aussortieren. Sobald die nächste Lage sie bedeckt, ist ein Versatz nur noch am fertigen Stapel zu erkennen, und dann trifft er die ganze Zelle oder den ganzen Stack. Die Prüfung gehört deshalb direkt vor den Schritt, der die Lage verdeckt.

An dieser Stelle wird eine Lagefrage gestellt. Liegt die Lage dort, wo der Stapel sie erwartet? Wie groß ist der Versatz, und kann die Station ihn noch ausgleichen? Wie breit eine Beschichtung ist, wo ihre Kante verläuft oder wie stark der Rand aufträgt, bewertet dagegen die Maßprüfung an der Elektrode, die einen eigenen Beitrag hat. Legt ein Roboter die Lage mit Greifkorrektur ab, empfängt der Roboter die Koordinate, und die Aufgabe wird zur Roboterführung.

Anode und Kathode im Z-Falter: prüfen und ausrichten, bevor gestapelt wird

Im Z-Falter wird der Separator als Band im Zickzack gefaltet, und Anoden- und Kathodenblätter werden abwechselnd in die Falten gelegt. Für eine solche Maschine ist ein Aufbau beschrieben, der zwei Aufgaben sauber trennt. Je zwei Zeilenkameras sollen Anode und Kathode inspizieren, bevor sie gestapelt werden. Eigene Flächenkameras sollen das Ausrichten übernehmen.

Die Trennung folgt der Aufgabe. Eine Inspektion kann das Blatt in der Bewegung sehen. Zum Ausrichten braucht die Station ein Bild des Blatts mit Bezug zur Stapelposition, damit sie einen Versatz in Längs- und Querrichtung und einen Winkel ausgeben kann. An einem zweiten Z-Falter, diesmal für eine Festkörperzelle, ist ebenfalls die Positionierung im Falter gefragt.

Für das Ausrichten ist die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS die erste Wahl. Kalibriert wird sie über ein Schachbrett- oder Punktmuster, wobei sie Neigung der Kamera und Verzeichnung des Objektivs herausrechnet. Lage und Winkel des Blatts gehen dann an die Steuerung der Servoachsen, per EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT oder PLC-Link. Dunkle Beschichtungen auf dunklem Grund liefern oft wenig Kontrast. Die Kontursuche ShapeTrax3A arbeitet laut Katalog auch bei kontrastarmen Bildern stabil; ob die Beleuchtung am konkreten Blatt genügt, klärt ein Test mit Originalmaterial.

Kante von Zelle und Folie: die Referenz für die nächste Station

Eine Kante ist oft die einfachste Referenz, die ein flaches Teil anbietet. Eine weitere Erkennung soll die Kante einer Batteriezelle und die Kante einer Folie finden. Beide Kanten zusammen beschreiben, wie Zelle und Folie zueinander liegen, und damit den Zustand, den die nächste Station übernimmt.

Näher an der Bahn liegt ein Anforderungsblatt. Es beschreibt ein metallisches Batterieteil an einer Lasermaschine: rund 500 mm lang, etwa 1 m/min schnell, mit einer Lagetoleranz von ±0,5 mm. Ob das Teil stillsteht oder sich bewegt, verändert die Wahl der Kamera, dazu mehr weiter unten.

Für stehende Kanten genügt die All-in-One Kamera. Eine glänzende Folie auf einer matten Zelle oder umgekehrt ist eine Beleuchtungsfrage, die vor der Auswahl des Objektivs geklärt werden sollte.

Substrat, Membran und Gitter: Brennstoffzellenlagen aufeinander ausrichten

In der Brennstoffzellenfertigung sind die Lagen andere, die Frage bleibt. Für eine CCM-Linie sind drei Auskünfte gefragt: wie die Aussparungen liegen, wie das Produkt auf dem Träger liegt und wie zwei Lagen übereinander liegen. Gefordert sind etwa ±0,2 mm und 1°. Im Konzept sind mehrere Köpfe des Inline Profilprojektors der Modellreihe TM-X5000 vorgesehen.

Der Profilprojektor arbeitet im Durchlicht, und zu seinen dokumentierten Aufgaben gehört neben dem Rundlauf die Position. Ein Durchlichtbild zeigt Umrisse und Aussparungen scharf, weil das Teil als Schatten erscheint. Ob es durch einen Lagenverbund hindurch beide Lagen unterscheidbar zeigt, ist die offene Frage, die Musterteile beantworten.

Eine weitere Aufgabe gilt einem Gitter, das auf der darunterliegenden Folie positioniert werden soll. Gesehen werden soll es mit einer hochauflösenden Zeilenkamera und Linienbeleuchtung. Die Oberflächenfehler am Gitter, nach denen dieselbe Aufgabe ebenfalls fragt, gehören in die Fehlerprüfung. Eine andere Aufgabe betrifft die Orientierung eines Gitters, bevor der Stack aufgebaut wird. Dort geht es um die Lage des Gitters selbst; Stack-Elemente über Markierpunkte auszurichten, behandelt der Beitrag zur Kennzeichnung von Brennstoffzellenkomponenten.

Folien im Prüfstand: Varianten und Zehntelmillimeter am Handplatz

Nicht jede Lage entsteht in einer Maschine. An einer Teststation für Brennstoffzellen, die von Hand bestückt wird, soll eine Prüfung klären: Sind die Folien richtig gelegt? Gefordert ist 0,1 mm, das Sichtfeld ist etwas größer als ein A4-Blatt, und es gibt rund sieben Varianten.

Rechnerisch entspricht 0,1 mm bei gut 300 mm Feldbreite einem Dreitausendstel des Bildes. Das verlangt eine hohe Pixelzahl oder ein auf mehrere Kameras geteiltes Feld. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bietet Kameras von 0,31 bis 64 MP und betreibt bis zu acht Kameras an einem Controller. Sieben Varianten heißen sieben Sätze von Sollpositionen; an einem Handplatz ist vorab festzulegen, ob der Auftrag oder die Bedienung die Variante wählt.

Bewegte Lage, stehende Lage: Zeilenkamera oder Flächenkamera

Die Bewegung entscheidet über die Kamera. Steht die Lage vor dem Stapeln still oder hält die Maschine sie für die Aufnahme an, ist die Flächenkamera der kürzere Weg: ein Bild, ein Urteil, ein Versatz. Bewegt sich ein Gitter auf einer Folie oder ein langes Teil an der Kamera vorbei, setzt eine Zeilenkamera das Bild Zeile für Zeile zusammen, gesteuert über einen Encoder.

Zeilenkameras arbeiten bei KEYENCE an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X, nicht an VS oder VS-G. An einem Controller sind bis zu vier Kameras möglich, Zeilenköpfe eingerechnet. Im beschriebenen Aufbau für den Z-Falter hat jede der Zeilenkameras für Anode und Kathode einen eigenen Controller.

Für das Teil an der Lasermaschine ergibt sich rechnerisch bei rund 500 mm Länge und etwa 1 m/min eine Durchlaufzeit von rund 30 Sekunden. Eine Zeilenkamera nimmt es in dieser Zeit ganz auf. Eine Flächenkamera müsste dafür mehrere Bilder zusammensetzen oder ein sehr großes Feld abdecken, auf Kosten der Auflösung.

Wo die Bahnkante zur Regelgröße wird

Nicht jede Kante ist eine Stapelfrage. Wird eine Elektroden- oder Separatorbahn durch Beschichtung, Kalander oder Schneidstation geführt, wird ihre Kante zur Regelgröße der Bahnführung. Der Sensor liefert dann einen laufenden Istwert statt eines Urteils je Lage, und die Regelung hält die Bahn in der Spur. In den dokumentierten Batterieanwendungen zur Lage erscheint das nur am Rand, über die Folienkante und das Anforderungsblatt der Lasermaschine. Wie Bahnkante und Mitte an laufender Folie erfasst und geregelt werden, beschreibt ein eigener Beitrag zur Folienverarbeitung; die Prinzipien lassen sich auf die Elektrodenbahn übertragen.

Häufige Fragen

F Warum wird die Lage vor dem Stapeln geprüft und nicht am fertigen Stapel?

Sobald die nächste Lage aufliegt, ist die darunter nicht mehr zu sehen und nicht mehr zu korrigieren. Ein Versatz fällt dann erst am fertigen Stapel auf und betrifft die ganze Zelle. Die Prüfung direkt vor dem Abdecken kann die Lage noch nachführen oder das Blatt aussortieren.

F Welche Toleranzen nennen die dokumentierten Anwendungen für Lagen?

Die Spanne reicht von ±0,5 mm an einem metallischen Batterieteil über etwa ±0,2 mm und 1° in einer CCM-Linie bis zu 0,1 mm für Folien in einer Teststation für Brennstoffzellen. Es sind Anforderungen, keine Ergebnisse laufender Anlagen.

F Lassen sich dunkle, kontrastarme Elektrodenblätter mit einer Kamera ausrichten?

Die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS hat mit ShapeTrax3A eine Kontursuche, die laut Katalog auch bei kontrastarmen Bildern stabil arbeitet. Wie gut die Kante vor dem Separator hervortritt, hängt trotzdem von Beleuchtung und Material ab. Ein Test mit Originalblättern gehört vor die Auslegung.

F Was leistet ein Durchlicht-Profilprojektor an Brennstoffzellenlagen?

Der Inline Profilprojektor der Modellreihe TM-X5000 arbeitet im Durchlicht und erfasst unter anderem die Position. Umrisse und Aussparungen zeichnen sich im Durchlicht als Schatten klar ab. Ob zwei übereinanderliegende Lagen im Durchlicht unterscheidbar bleiben, zeigt nur ein Versuch mit Musterteilen.

F Wie kommt der Versatz einer Lage an die Achse?

Die Kamera wird über ein Schachbrett- oder Punktmuster kalibriert und gibt danach Lage und Winkel aus. Die All-in-One Kamera überträgt die Werte per EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT oder PLC-Link an die Steuerung der Servoachsen. Die Steuerung führt dann das Blatt oder die Ablage nach, bevor die nächste Lage aufgelegt wird.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Positionierung und Ausrichtung: Lage, Drehlage und Koordinaten sicher an Roboter, Achse und Prozess übergeben

Übergeordnete Themenseite: Messen, Kennzeichnen und Prüfen in der Batterie- und E-Mobility-Produktion: Der Überblick für Qualitäts- und Fertigungsverantwortliche

Hauptartikel zum Thema: Lage prüfen und ausrichten in der Batteriefertigung: von der Elektrodenlage bis zum Packdeckel

Weiterer Artikel im Thema: Fokuslage und Schweißposition an Zelle und Zellkontaktiersystem: den Laser vor dem Tab- und Terminalschweißen nachführen

Weiterer Artikel im Thema: Sitzt der Busbar auf dem Pin? Lagekontrolle von Busbars, Kontaktblechen, Zellhaltern und Steckern in der Modulmontage

Weiterer Artikel im Thema: Modul in den Rahmen, Deckel auf das Gehäuse: Mittenposition und Anschlag in der Packmontage prüfen und über Achse und Schlitten korrigieren