Zellkontaktiersysteme und Busbars prüfen: Höhe, Position und Koplanarität vor dem Schweißen

In der Modulmontage entscheidet sich die elektrische Qualität eines Batteriesystems an unscheinbaren Stellen. Ein Zellkontaktiersystem trägt in der Anwendungspraxis auf einem Träger von 350 x 1.200 mm rund 190 positive und 190 negative Polkontakte, teils kombiniert mit transparenten Kunststoffkomponenten. Jeder dieser Kontakte muss vor dem Schweißen in Höhe, Lage und Ebenheit stimmen, denn der Laserstrahl verzeiht keinen Spalt. Ähnliches gilt für Busbars, deren Bohrungen zur Polposition passen müssen, und für Zellstapel, deren Höhe je Zelle den weiteren Aufbau bestimmt.

Dieser Beitrag richtet sich an Planer von Modul- und Packmontagen sowie an Maschinenbauer, die Stacking-, Busbar- und Kontaktierstationen auslegen. Er zeigt, warum Höhen- und Lagefehler erst beim Schweißen teuer werden, wo 2D-Kameras und Streifenlichtprojektion an Grenzen stoßen und wie sich Profilsensoren, 3D Laser-Snapshot-Sensoren und Tasterarrays zu einem Prüfkonzept je Station verbinden lassen.

Wichtige Punkte im Überblick

Höhen- und Lagefehler an Polkontakten fallen erst beim Schweißen auf: ein Spalt zwischen Kontakt und Ableiter erzeugt eine unvollständige oder poröse Verbindung, deren Nacharbeit eine ganze bestückte Baugruppe betrifft.
Bei mehreren Hundert Polkontakten je Träger und in realen Projekten geforderten Höhentoleranzen um 0,2 mm trägt keine Stichprobe die Anforderung: jeder Kontakt zählt, und die Koplanarität aller Kontakte zueinander zählt mit.
Die verbreiteten Alternativen stoßen an Grenzen: eine 2D-AOI sieht keine Höhe, Streifenlichtprojektion verlangt an glänzenden Kontakten häufig ein mattierendes Einsprühen, und taktile Vorrichtungen bilden Varianten nur über Umbauten ab.
2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 liefern im Mehrkopfaufbau gemeinsam ausgewertete Höhenbilder, in der Anwendungspraxis für Träger von 300 bis 1.400 mm Länge, und bewerten Höhe, Verkippung und Koplanarität jedes Kontakts ohne Einsprühen.
Stackhöhe und Modulebenheit werden taktil erfasst: Arrays aus hochpräzisen digitalen Messtastern der Modellreihe GT2 tasten in dokumentierten Anwendungen mit bis zu 30 Tastern je Vorrichtung gleichzeitig die Höhe jeder Zelle im Stapel an.

Warum Höhen- und Lagefehler an Zellkontaktiersystemen erst beim Schweißen teuer werden

Ein Polkontakt, der zu tief sitzt oder verkippt ist, fällt in der Montage zunächst nicht auf. Der Träger lässt sich aufsetzen, die Busbar liegt scheinbar plan, und erst der Schweißprozess zeigt das Problem. Steht zwischen Kontakt und Ableiter ein Spalt, entsteht eine unvollständige oder poröse Verbindung, die im schlimmsten Fall erst im elektrischen Test oder im Feld auffällt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Modul bestückt, und die Nacharbeit betrifft nicht ein Bauteil, sondern eine ganze Baugruppe mit Zellen.

Deshalb verschiebt sich die Prüfung nach vorn, unmittelbar vor den Fügeprozess. Gefordert sind in realen Projekten Höhentoleranzen um 0,2 mm über den gesamten Träger, Lagetoleranzen von 0,2-1 mm in X und Y sowie an Leistungsmodulen Pin-Positionen bis 0,03 mm einschließlich Taumelbewertung. Bei mehreren Hundert Kontakten je Träger ist das keine Aufgabe für Stichproben. Jeder Kontakt zählt, und die Koplanarität aller Kontakte zueinander zählt gleich mit.

Grenzen von 2D-AOI und Streifenlichtprojektion an Polen, Pins und Busbars

Der erste Ansatz ist meist eine Kamera. Eine 2D-AOI erkennt Anwesenheit und grobe Lage zuverlässig, aber sie sieht keine Höhe. Ob ein Pin um wenige Zehntel zu tief sitzt oder verkippt steht, unterscheidet ein Draufsichtbild nicht, und sobald sich die Pin-Geometrie zwischen Varianten ändert, kippt die mühsam eingestellte Bewertung. In den ausgewerteten Anwendungen war genau dieser Punkt der Auslöser, von reiner Kameratechnik auf messende 3D-Verfahren zu wechseln.

Die Streifenlichtprojektion liefert zwar Höhendaten, bringt an glänzenden Metallkontakten aber eine eigene Hürde mit. Sie verlangt dort häufig ein mattierendes Einsprühen der Bauteile, was in einer Batteriemontage nicht akzeptabel ist, und die Aufnahmezeit kann den Takt sprengen. Taktile Vorrichtungen wiederum messen nur die Punkte, für die sie gebaut wurden, und jede neue Variante bedeutet einen Umbau. Gesucht ist also ein Verfahren, das ohne Oberflächenbehandlung auskommt, im Takt bleibt und Varianten über Programme statt über Mechanik abbildet.

3D-Profilmessung ohne Einsprühen: Modellreihe LJ-X8000 und 3D Laser-Snapshot-Sensoren der Modellreihe LJ-S8000

Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 erfassen den Träger zeilenweise, während er unter den Köpfen hindurchfährt. Mehrere Köpfe, je Kamera-Anschlusseinheit am Controller der Modellreihe XG-X bis zu zwei, überspannen die Trägerbreite und liefern Höhenbilder, die gemeinsam ausgewertet werden, in der Anwendungspraxis für Bauteile von 300 bis 1.400 mm Länge. Aus diesen Höhendaten werden Höhe, Lage und Verkippung jedes einzelnen Polkontakts ausgewertet, dazu die Koplanarität über den gesamten Träger und die Bohrungslagen der Busbar vor dem Schweißen. Ein Einsprühen entfällt, da die Triangulation direkt auf der metallischen Oberfläche arbeitet, und transparente Komponenten auf dem Träger lassen sich über das Höhenprofil statt über den Kontrast bewerten.

An Stationen ohne Vorschubachse übernehmen 3D Laser-Snapshot-Sensoren der Modellreihe LJ-S8000 die Aufgabe. Sie erzeugen das Höhenbild eines Bereichs in einer Aufnahme, was sich für Vorrichtungsplätze und robotergeführte Prüfungen eignet. Für Leistungsmodule mit Einpresspins wird dieselbe Datenbasis genutzt, um Pin-Position und Taumel bis 0,03 mm zu bewerten, bevor das Modul gefügt wird.

Stackhöhe und Modulebenheit taktil erfassen: Messtaster der Modellreihe GT2 im Array mit Profinet-Anbindung

Nicht jedes Merkmal braucht ein optisches System. Für Stackhöhen und Modulebenheit an definierten Punkten haben sich Arrays aus Messtastern der Modellreihe GT2 bewährt. In dokumentierten Anwendungen sitzen bis zu 30 Taster in einer Vorrichtung und erfassen beim Absenken gleichzeitig die Höhe jeder Zelle im Stapel oder die Ebenheit einer Modulplatte an definierten Punkten; an einzelnen Plattentypen sind über 100 Dickenpunkte je Bauteil gefordert. Die Anbindung an die Steuerung läuft über Netzwerkeinheiten mit Profinet, sodass alle Kanäle als ein Prozessabbild ankommen.

Der taktile Ansatz spielt seine Stärke dort aus, wo Punkte fest definiert sind und ein Antastwert je Zyklus genügt. Ergänzend messen ultraschnelle und hochgenaue Laser-Wegmesssensoren der Modellreihe LK-G5000 die Moduldicke berührungslos an Q-Gates, etwa nach dem Verpressen, und konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 übernehmen die Fälle, in denen Plattendicken im µm-Bereich nachzuweisen sind. Optik und Taster schließen sich also nicht aus. In realen Projekten werden sie je Station kombiniert, abhängig davon, ob Fläche, Punktraster oder Einzelmaß gefragt ist.

Prüfumfänge je Station definieren: von der Anwesenheitskontrolle bis zur 50-Merkmal-Messung

Eine Modullinie prüft nicht überall gleich tief. Am einen Ende stehen einfache Ja-Nein-Fragen, etwa ob ein Thermalpad oder eine Middle Plate eingelegt ist. Dafür genügt ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4, der Anwesenheit und grobe Lage im Takt bestätigt. Am anderen Ende stehen messende Stationen mit bis zu 50 Prüfkriterien je Bauteil, die Form, Lage, Höhe und Koplanarität in einem Durchlauf bewerten, bei Taktzeiten von 6-15 s.

Für die Auslegung hat sich bewährt, den Prüfumfang je Station explizit zu definieren, statt eine Universalstation zu überfrachten. Welche Merkmale entscheiden über den nächsten Prozessschritt, welche dienen der Dokumentation, welche der Prozessregelung? Aus dieser Zuordnung ergibt sich die Sensorik fast von selbst. Laufen mehrere baugleiche Linien, zahlt sich eine standardisierte Kombination aus Profilsensorik, Tasterarrays und Vision-Sensoren je Stationstyp in der Instandhaltung aus.

Vorserie bis SOP: Prüfkonzepte mitwachsen lassen und Machbarkeit früh testen

Batterieprojekte laufen in Phasen. In der Vorserie und der B-Muster-Phase ändern sich Träger, Kontakte und Toleranzen noch, und die Linie existiert auf dem Papier. Wer in dieser Phase bereits Machbarkeitstests mit realen Trägern und bewussten Grenzmustern durchführt, klärt die kritischen Fragen, bevor sie teuer werden: Ist die Koplanarität über 1.200 mm Trägerlänge mit der geplanten Kopfanordnung nachweisbar, welche Profilrate verlangt der Takt, und wie verhält sich die Messung an den transparenten Komponenten?

Das Prüfkonzept sollte mit dem Projekt wachsen können. Eine Vorserienstation mit Snapshot-Sensor und wenigen Merkmalen lässt sich zur Serienstation mit Mehrkopf-Aufbau und vollem Merkmalskatalog ausbauen, wenn Schnittstellen und Auswertelogik von Beginn an dafür angelegt sind. In realen Projekten hat sich zudem bewährt, den Genauigkeitsnachweis nach den Messmittelvorgaben des Endkunden früh einzuplanen, denn die Abnahme optischer Messtechnik gegen ein Koordinatenmessgerät braucht Wiederholmessungen und Zeit. So bleibt die Prüfung kein Nachzügler der Linienplanung, sondern ein Baustein, der von der ersten Trägerversion bis zum SOP mitläuft.

Häufige Fragen

F Wie prüft man die Koplanarität von Polkontakten vor dem Schweißen?

Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 erfassen den Träger als flächiges Höhenbild, aus dem Höhe und Verkippung jedes Polkontakts sowie die Koplanarität aller Kontakte zueinander ausgewertet werden. In der Anwendungspraxis werden so rund 190 positive und 190 negative Kontakte je Zellkontaktiersystem mit Höhentoleranzen um 0,2 mm geprüft. Die Messung erfolgt unmittelbar vor dem Schweißen, damit kein Spalt in den Fügeprozess gelangt.

F Warum ist Streifenlichtprojektion an Zellkontaktiersystemen oft ungeeignet?

An glänzenden Metallkontakten verlangt die Streifenlichtprojektion häufig ein mattierendes Einsprühen der Bauteile, was in der Batteriemontage nicht akzeptabel ist. Dazu kommt die Aufnahmezeit, die den Linientakt sprengen kann. Laser-Profilsensoren arbeiten dagegen ohne Oberflächenbehandlung direkt auf dem Metall und liefern das Höhenbild im Vorschub der Linie.

F Wie wird die Stackhöhe im Batteriemodul erfasst?

Bewährt haben sich Arrays aus Messtastern der Modellreihe GT2, bei denen bis zu 30 Taster in einer Vorrichtung gleichzeitig die Höhe jeder Zelle im Stapel antasten. Die Werte laufen über Netzwerkeinheiten per Profinet gesammelt in die Steuerung. Für berührungslose Dickenmessungen an Q-Gates ergänzen Laser-Wegmesssensoren der Modellreihe LK-G5000 das Konzept.

F Reicht eine 2D-Kamera für die Busbar- und Kontaktprüfung?

Für Anwesenheit und grobe Lage ja, für die eigentliche Fügevorbereitung nein, denn eine 2D-Kamera sieht keine Höhe. Ob ein Kontakt zu tief sitzt oder ein Pin verkippt ist, zeigt erst ein Höhenbild aus einer 3D-Profilmessung. Einfache Einlegekontrollen, etwa für Thermalpads, übernimmt dagegen wirtschaftlich ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4.

F Wie viele Merkmale lassen sich je Station prüfen?

In dokumentierten Anwendungen bewerten messende Stationen bis zu 50 Prüfkriterien je Bauteil in einem Durchlauf, bei Taktzeiten von 6-15 s. Dazu zählen Höhe, Lage, Koplanarität und Vollständigkeit über Bauteilgrößen von 300 bis 1.400 mm. Der Prüfumfang sollte je Station definiert werden, damit Sensorik, Takt und Auswertelogik zusammenpassen.

Weiterführende Artikel

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

Hauptartikel zum Thema: Ebenheit und Dellen an Batteriewannen und Gehäusedeckeln: großformatige 3D-Messung in der Linie

Weiterer Artikel im Thema: Schichtdicke, Randüberhöhung und Grat: Inline-Messtechnik in der Elektrodenfertigung

Weiterer Artikel im Thema: Sicherheitsrelevante Zellmerkmale messen: Berstmembran, Sealcap und Schweißnaht an der Batteriezelle

Weiterer Artikel im Thema: Kleberaupe und Gapfiller in der Batteriemontage: Höhe, Breite und Überstand zuverlässig prüfen