Sicherheitsrelevante Zellmerkmale messen: Berstmembran, Sealcap und Schweißnaht an der Batteriezelle

Einige Merkmale einer Batteriezelle existieren nur für den Ernstfall. Die geprägte Berstmembran im Zellgehäuse soll bei Überdruck kontrolliert öffnen, die Sealcap soll dauerhaft dicht verschließen, und die Schweißnaht soll beides mechanisch zusammenhalten. Versagt eines dieser Merkmale, versagt die Zelle, und zwar unter Umständen erst im Fahrzeug. Deshalb steht in den Lastenheften dieser Bauteile eine Forderung besonders häufig: 100%-Prüfung, weil das Teil in eine Fahrzeugbatterie geht.

Dieser Beitrag richtet sich an Qualitätsplaner bei Zell- und Zellkomponentenherstellern sowie an Betreiber von Stanz-, Zieh- und Schweißlinien für Zellgehäuse. Er zeigt, wo an der Zelle die 100%-Prüfung gefordert ist, warum Ultraschall und Wirbelstrom an der geprägten Membran scheitern, wie ein Doppelkopfaufbau die Restwanddicke als Differenz misst und was bei Taktzeit und Nachweisführung zu beachten ist.

Wichtige Punkte im Überblick

Berstmembran, Sealcap und Schweißnaht sind Merkmale für den Ernstfall, weshalb die Lastenhefte dieser Bauteile eine 100%-Prüfung mit dokumentiertem Ergebnis je Teil fordern.
Ultraschall und Wirbelstrom scheitern an der geprägten Sollbruchstelle: ihr Messfleck ist für die schmale Prägenut zu groß, und die minimale Restwanddicke geht in der Mittelung über Nutgrund und Flanken unter.
Die Restwanddicke wird als Differenz gelöst: zwei gegenüberliegende konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 erfassen Ober- und Unterseite gleichzeitig und prüfen in der Anwendungspraxis 0,1 mm Restwand gegen eine Toleranz von ±0,025 mm.
An der Schweißnaht entsteht aus aneinandergereihten Profilen die Bewertung über die gesamte Nahtlänge: Nahtbreite, Überhöhung und Schweißspritzer werden als Messwerte gegen Grenzwerte geprüft statt per Sichtkontrolle.
Die Prüfung läuft im Pressentakt mit: in dokumentierten Anwendungen bleibt ein Messfenster von 0,1 s bei 200 mm/s Vorschub, möglich durch eine an die Bandposition gekoppelte Triggerung.

Sollbruchstelle, Sealcap, Schweißnaht: wo an der Zelle 100%-Prüfung gefordert ist

Drei Merkmalsgruppen kehren in den ausgewerteten Anwendungen immer wieder. Die erste ist die Berstmembran, eine in das Zellgehäuse geprägte Sollbruchstelle. In der Anwendungspraxis misst eine solche Membran etwa 60 x 25 mm in einem Blech von 0,5 mm Stärke, und ihre Funktion hängt an der Restwanddicke im Prägegrund: gefordert sind 0,1 mm mit einer Toleranz von ±0,025 mm. Zu dick, und die Membran öffnet im Ernstfall zu spät. Zu dünn, und sie versagt im Normalbetrieb.

Die zweite Gruppe sind Sealcaps und Terminalcaps, gezogene Scheiben von rund 20 mm Durchmesser, deren Durchmesser, Höhe, Profil und Ebenheit im Pressentakt zu prüfen sind, mit Toleranzen um ±0,05 mm. Die dritte Gruppe sind die Schweißnähte an Gehäuse und Ableitern. Eine Nahtbreite um 0,5 mm muss über die gesamte Nahtlänge eingehalten werden, mit Toleranzen von ±0,02-0,06 mm, und Schweißspritzer dürfen definierte Höhen nicht überschreiten. Allen drei Gruppen ist gemeinsam, dass eine Stichprobe die Anforderung nicht trägt. Jedes einzelne Teil braucht ein dokumentiertes Ergebnis.

Warum Ultraschall und Wirbelstrom an der geprägten Membran scheitern

Für Wanddickenmessungen liegen Ultraschall und Wirbelstrom nahe, und an großflächigen Blechen leisten beide gute Dienste. An der geprägten Sollbruchstelle stoßen sie jedoch an eine geometrische Grenze. Die Prägenut ist schmal, ihr Grund oft nur Bruchteile eines Millimeters breit, und der Messfleck beider Verfahren ist dafür schlicht zu groß. Das Signal mittelt über Nutgrund und Flanken, und genau die eine Zahl, auf die es ankommt, die minimale Restwanddicke, geht in dieser Mittelung unter.

Die Dichtheitsprüfung wiederum beantwortet eine andere Frage. Sie belegt, dass die Zelle heute dicht ist, aber nicht, ob die Membran bei Überdruck im richtigen Fenster öffnet. Dafür zählt allein die Geometrie. In etlichen dokumentierten Anwendungen war die Konsequenz ernüchternd: Für die Restwanddicke der Membran existierte bislang gar keine serientaugliche Prüfung, und die Funktion wurde über Prozessparameter der Presse plausibilisiert statt am Bauteil gemessen. Für ein Merkmal, das über das Verhalten der Zelle im Fehlerfall bestimmt, ist das auf Dauer kein haltbarer Zustand.

Restwanddicke als Differenzmessung: Doppelkopfaufbau mit konfokalen Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000

Die Restwanddicke lässt sich optisch lösen, wenn man sie als Differenz begreift. Zwei konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 stehen sich gegenüber, einer über, einer unter dem Blech, und erfassen gleichzeitig den Abstand zur Ober- und zur Unterseite. Der Controller verrechnet beide Signale, und aus der Differenz ergibt sich die Wanddicke an der gemessenen Stelle, unabhängig davon, wie das Blech zwischen den Köpfen liegt oder schwingt. Die softwaregestützte Ausrichthilfe stellt dabei sicher, dass beide Köpfe exakt dieselbe Position auf Ober- und Unterseite messen, was für die Genauigkeit der Differenzmessung entscheidend ist.

Für die Membran heißt das: Die Messspur wird quer über die Prägenut gelegt, und die Auswertung sucht die minimale Differenz im Nutgrund. Der kleine Messfleck des konfokalen Messprinzips löst dabei auch schmale Nuten auf, an denen großflächige Verfahren scheitern. In der Anwendungspraxis wird so eine Restwanddicke von 0,1 mm gegen die Toleranz von ±0,025 mm geprüft, Zelle für Zelle. Ergänzend bewertet ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 die Prägetiefe, die Symmetrie der Nut und Beschädigungen der Membranfläche, denn all das steckt bereits im Höhenprofil der Oberseite.

Schweißnahtbreite, Spritzer und Oberflächenfehler über die gesamte Nahtlänge bewerten

An der Schweißnaht wird aus dem Einzelprofil eine fortlaufende Messung. Der Profilsensor tastet die Naht im Vorschub ab und liefert je Profil Nahtbreite, Nahtüberhöhung und Kantenlage. Aneinandergereiht entsteht die Bewertung über die gesamte Nahtlänge, sodass auch ein kurzer Einbruch oder eine lokale Verengung gefunden wird, die in einer Stichprobe unsichtbar bliebe. Schweißspritzer erscheinen im Höhenbild als Erhebungen definierter Höhe und lassen sich gegen Grenzwerte prüfen, statt sie einer Sichtkontrolle zu überlassen.

An großen geschweißten Strukturen, etwa komplett verschweißten Gehäusen, übernehmen robotergeführte 3D Laser-Snapshot-Sensoren der Modellreihe LJ-S8000 die Spritzersuche, weil sie Bereiche ohne eigene Vorschubachse in einer Aufnahme erfassen. Eine dritte Aufgabe kommt aus dem Prozess selbst: Vor dem Tabschweißen wird die Fokuslage der Schweißoptik mit einem Profilsensor kontrolliert, denn eine verschobene Fokushöhe erzeugt systematisch schlechte Nähte, lange bevor die Nahtprüfung anschlägt. Wo ein Merkmal rein zweidimensional ist, etwa eine Kantenlage oder ein Durchmesser in der Draufsicht, genügt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G ohne Höhenauswertung.

Kurze Messfenster in Stanz- und Ziehlinien: Taktzeit, Vorschub und Triggerung

Zellgehäuse und Caps entstehen in Stanz- und Ziehlinien, und deren Takt gibt das Messfenster vor. In dokumentierten Anwendungen bleiben für die Messung 0,1 s, bei einem Bandvorschub von 200 mm/s. In diesem Fenster muss das Messwertpaar aufgenommen, verrechnet und bewertet sein, bevor der nächste Hub folgt. Machbar ist das, wenn drei Stellgrößen zusammenpassen: die Abtastrate der Sensoren, die auf den Vorschub abgestimmte Triggerung über Encoder oder Pressensignal und eine Auswertung, die auf die wenigen relevanten Kennwerte reduziert ist.

Die Triggerung verdient dabei besondere Sorgfalt. Ein Versatz von Millisekunden verschiebt die Messspur aus der Prägenut heraus, und die Messung bewertet dann die falsche Stelle. Bewährt hat sich, die Aufnahme starr an die Bandposition zu koppeln statt an die Zeit, sodass Geschwindigkeitsschwankungen der Presse die Messposition nicht verändern. Cap-Merkmale wie Durchmesser, Höhe und Profil werden im selben Fenster aus dem laufenden Hub geprüft, ohne das Teil zu vereinzeln. So bleibt die 100%-Prüfung im Pressentakt, statt eine eigene Prüfstation mit Handling zu erzwingen.

Nachweisführung: Toleranzen, Messgenauigkeit und Grenzmuster für sicherheitsrelevante Merkmale

Bei sicherheitsrelevanten Merkmalen endet die Aufgabe nicht mit der Messung, sondern mit dem Nachweis, dass die Messung trägt. Endkunden verlangen in realen Projekten einen belegten Abstand zwischen Toleranz und Messunsicherheit, üblicherweise über Wiederholmessungen an realen Teilen nach den Messmittelvorgaben des OEM. Bei einer Toleranz von ±0,025 mm auf die Restwanddicke entscheidet dieser Nachweis darüber, ob das Konzept abgenommen wird, und er sollte deshalb Teil des Machbarkeitstests sein, nicht der Abnahmeverhandlung.

Grenzmuster sind das zweite Werkzeug. Teile an der oberen und unteren Toleranzgrenze, dazu bekannte Schlechtteile mit zu dünnem Nutgrund oder unterbrochener Naht, gehören in jeden Versuch, denn sie zeigen, ob die Auswertung an der richtigen Schwelle trennt. Das dritte Element ist die Dokumentation. Jedes Messergebnis wird dem einzelnen Teil zugeordnet und archiviert, sodass sich im Reklamationsfall belegen lässt, mit welchem Wert eine bestimmte Zelle das Werk verlassen hat. Erst diese Kette aus Messfähigkeit, Grenzmustern und Einzelteil-Dokumentation macht aus einer schnellen Inline-Messung eine belastbare 100%-Prüfung für Merkmale, an denen im Zweifel die Sicherheit des Gesamtsystems hängt.

Häufige Fragen

F Wie misst man die Restwanddicke einer Berstmembran?

Zwei gegenüberliegende konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 erfassen gleichzeitig Ober- und Unterseite des geprägten Blechs, und die Restwanddicke ergibt sich als Differenz beider Abstandssignale. Eine Ausrichthilfe stellt sicher, dass exakt dieselbe Position auf beiden Seiten gemessen wird, und die Auswertung sucht die minimale Wanddicke im Prägegrund der Sollbruchstelle. In der Anwendungspraxis wird so eine Restwanddicke von 0,1 mm mit einer Toleranz von ±0,025 mm zu 100 % geprüft.

F Warum scheitern Ultraschall und Wirbelstrom an der geprägten Sollbruchstelle?

Der Messfleck beider Verfahren ist für die schmale Prägenut zu groß, sodass das Signal über Nutgrund und Flanken mittelt. Die minimale Restwanddicke, auf die es funktional ankommt, geht in dieser Mittelung unter. Ein konfokaler Wegmesssensor misst dagegen mit einem sehr kleinen Messfleck und erfasst die minimale Restwanddicke gezielt im Nutgrund.

F Wie wird eine Schweißnaht an der Batteriezelle über die gesamte Länge geprüft?

Ein Laser-Profilsensor tastet die Naht im Vorschub ab und bewertet je Profil Nahtbreite, Überhöhung und Kantenlage, aneinandergereiht über die volle Nahtlänge. So werden auch kurze Einbrüche oder Verengungen gefunden, die eine Stichprobe übersehen würde. Schweißspritzer erscheinen im Höhenbild als Erhebungen und werden gegen definierte Höhengrenzwerte geprüft.

F Welche Taktzeiten sind bei der Prüfung in Stanz- und Ziehlinien erreichbar?

In dokumentierten Anwendungen stehen für die Messung 0,1 s je Teil zur Verfügung, bei einem Bandvorschub von 200 mm/s. Möglich wird das durch hohe Profilraten, eine positionsgekoppelte Triggerung über Encoder oder Pressensignal und eine auf wenige Kennwerte reduzierte Auswertung. Die Prüfung läuft damit im Pressentakt mit, ohne eigene Prüfstation und ohne Vereinzelung.

F Wie weist man die Messfähigkeit für sicherheitsrelevante Zellmerkmale nach?

Über Wiederholmessungen an realen Teilen nach den Messmittelvorgaben des Endkunden, die einen ausreichenden Abstand zwischen Toleranz und Messunsicherheit belegen. Ergänzend werden Grenzmuster an der oberen und unteren Toleranzgrenze sowie bekannte Schlechtteile geprüft, um die Trennschärfe der Auswertung zu zeigen. Jedes Ergebnis wird dem Einzelteil zugeordnet und archiviert, damit die Prüfung im Reklamationsfall belegbar bleibt.

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