Elektrodenbahn und Membran im laufenden Prozess prüfen: Partikel, Löcher, Falten und Beschichtungsfehler beidseitig erkennen

Die Elektrodenbahn wird beschichtet, kalandriert, geschnitten und gewickelt oder gestapelt, und jeder dieser Schritte kann einen Fehler von der Oberfläche ins Innere der Zelle tragen. Dieser Beitrag richtet sich an Prozess- und Qualitätsingenieure an Beschichtungs-, Kalander-, Wickel- und Stapellinien und an die Maschinenbauer, die die Prüfung in diese Anlagen einplanen. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen.

Wichtige Punkte im Überblick

  • Ein Metallpartikel auf Ableiter oder Beschichtung wird im Kalander eingewalzt und kann nach dem Wickeln oder Stapeln einen Kurzschluss auslösen, deshalb gehört die Prüfung vor den Schritt, der den Fehler einschließt.
  • Ein Partikel muss auf kontrastarmer Beschichtung mehrere Pixel belegen, und mit dem Sicherheitsfaktor 5 aus einer dokumentierten Anwendung darf ein Pixel für Partikel um 50 µm rechnerisch höchstens 10 µm abdecken.
  • An der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X sind je Erweiterungsmodul zwei Zeilenkameras möglich, am Controller insgesamt vier, sodass vier Bahnseiten rechnerisch die Obergrenze erreichen.
  • Falten und Klebestellen, die ungeprüft in den Kalander gelangen, gefährden die Walzen, und weil sie sich eher als Form- denn als Farbabweichung zeigen können, klärt ein Versuch am Originalmaterial die Anordnung von Kamera und Licht.
  • Oft steht die Prüfspezifikation erst fest, wenn der Anlagenbauer die Maschine schon ausgelegt hat, deshalb gehören Bauraum auf beiden Bahnseiten, Encoder-Signal und Stillstandsfenster früh in die Auslegung.

Vom Partikel zum Kurzschluss: warum die Bahn vor dem nächsten Prozess geprüft wird

Ein Metallpartikel, der auf Ableiter oder Beschichtung liegen bleibt, wird im Kalander eingewalzt und liegt nach dem Wickeln oder Stapeln zwischen den Lagen. Dort kann er einen Kurzschluss auslösen. Eine Falte oder Klebestelle, die ungeprüft in den Kalander gelangt, gefährdet die Walzen, deren Ersatz teuer ist. Die Prüfung gehört deshalb vor den Schritt, der den Fehler einschließt oder vergrößert, und sie braucht beide Seiten der Bahn, weil Anode und Kathode beidseitig beschichtet sind.

Grat, Randüberhöhung und Schichtdicke der Beschichtung sind Maße und gehören zur Inline-Messtechnik an der Elektrode. Die Fehlermarkierung, die eine Schneidstation später auswertet, ist eine Kennzeichnungsaufgabe. Hier geht es darum, ob auf der Bahn ein Fehler liegt und welcher.

Metallpartikel auf Ableiter und Beschichtung: Kontrast, Pixelgröße und Sicherheitsfaktor

An einem Wickler geht es um Verschmutzungen an Kalander und Bahnkante, gesucht werden Metallpartikel um 50 µm. Auf dem blanken Ableiter heben sie sich deutlich ab, auf der Beschichtung schwächer. Da Anode und Kathode je auf zwei Seiten geprüft werden, geht es um vier Systeme.

Die Anwendung rechnet auf die Pixelgröße einen Sicherheitsfaktor auf. Dahinter steht die Überlegung, dass ein Partikel mehrere Pixel belegen muss, um sich auf kontrastarmer Beschichtung vom Untergrund zu trennen. Sie nennt mindestens den Faktor 5; rechnerisch darf ein Pixel dann höchstens 10 µm abdecken. Aus diesem Verhältnis folgt, wie viele Kameras die Bahnbreite braucht.

In einer Elektrodenfertigung stehen Oberflächenschäden und Rückstände auf der Liste, bei rund 70 mm beschichteter Breite und etwa einem Meter pro Sekunde. Die Partikel sind mit 50 bis 70 µm angegeben, bleibt es bei 50 µm, soll der Durchsatz über parallele Stränge steigen. Schnittkontur und Lage der Teile aus derselben Anwendung sind Maß- und Lagefragen.

Löcher, Falten, Abrieb und Splice: Anode und Kathode beidseitig

Eine Anwendung nennt vier Materialtypen, zwei graue und zwei schwarze, jeweils beidseitig zu prüfen. Gesucht sind Löcher, Kratzer, Falten und Abrieb, der sich als gräuliche Verfärbung zeigt. Der kleinste Fehler ist mit 0,1 mm² bei 15 bis 20 m/min angegeben. Rechnerisch entspricht diese Fläche einem Quadrat von gut 0,3 mm Kantenlänge, und 20 m/min sind rund 333 mm pro Sekunde. Die Aufgabe ist damit gröber und langsamer als die Partikelsuche am Wickler, verlangt aber eine Station, die auf grauer und schwarzer Beschichtung gleichermaßen arbeitet.

Für dünne Aluminium- oder Kupferfolie von 8 bis 10 µm mit schwarzer Beschichtung, 400 bis 700 mm breit und bis 50 m/min schnell, sind Klebestellen und Falten gefragt. Ziel ist, die Kalanderwalzen zu schützen. An handbedienten Linien weiß der Bediener, wann er einen Splice setzt; die Station soll ihn selbst erkennen.

Falte und Splice können sich eher als Form- denn als Farbabweichung zeigen. Beide ändern, wie die Beleuchtung von der Bahn zurückkommt, und genau das muss die Aufnahme sichtbar machen. Welche Anordnung von Kamera und Licht auf schwarzer Beschichtung den stabilsten Kontrast gibt, klärt ein Versuch am Originalmaterial.

Zeilenkamera, Encoder und Bahngeschwindigkeit am Wickler und Kalander

Eine Bahn hat keinen Anfang und kein Ende, an dem ein Flächenbild abschließt. Die Zeilenkamera setzt das Bild aus einzelnen Zeilen zusammen, und ein Encoder an der Bahn taktet die Aufnahme, damit jede Zeile einem festen Stück Bahnweg entspricht. Bei KEYENCE gibt es die Zeilenkamera an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X. Je Erweiterungsmodul sind zwei Zeilenkameras möglich, am Controller insgesamt vier Kameras einschließlich der Zeilenköpfe.

Rechnerisch schöpfen die vier Bahnseiten am Wickler diese Obergrenze aus, sofern je Seite eine Zeilenkamera die Breite abdeckt. Die Geschwindigkeiten in den Anwendungen reichen von 15 m/min, rechnerisch 250 mm pro Sekunde, bis etwa einem Meter pro Sekunde. Eine Anwendung nennt sogar 1,7 m/s, stellt die Zahl aber selbst in Frage. Bei 1.000 mm pro Sekunde und 20 µm je Zeile in Bahnrichtung wären rechnerisch 50.000 Zeilen pro Sekunde nötig, und 70 mm Breite entsprechen bei 20 µm je Pixel 3.500 Pixeln quer zur Bahn.

Für eine Oberflächenprüfung in der Batteriefertigung ist zudem ein Zeilenkamerasystem mit Linienbeleuchtung gefragt, gedacht als Laborsystem mit einem Bildfeld von 250 mm. Flächenkameras kommen dort in Frage, wo die Bahn steht oder das Feld klein ist. An VS und VS-G gibt es keine Zeilenkamera.

Brennstoffzelle und Membran: fehlender Katalysator, Pinholes und Sinter

Für eine beschichtete Brennstoffzellenbahn reicht die Spanne der gesuchten Fehler von groben Fehlern bis hinunter zu 10 µm. Fehlstellen im Katalysator sollen ihrer Position auf der katalysatorbeschichteten Membran zugeordnet werden. Offen ist, ob eine transparente statt einer braunen Folie über einer metallischen Gegenwalze Reflexionen erzeugt und welche Datenmenge bei 10 m/min anfällt.

In einem Konzept sollen Bipolarplatten auf Grate und Sinterpartikel geprüft werden, ohne sie zu vermessen; erwartet wird, dass LumiTrax dafür genügt. An der Membran-Elektroden-Einheit geht es um Pinholes im Durchlicht, und zwar nur um durchgehende Löcher. Genannt sind ein Takt von 2 s und die Idee einer Kamera mit 64 MP. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G deckt Kameras von 0,31 bis 64 MP ab und errechnet mit LumiTrax aus mehreren Beleuchtungsrichtungen ein Formbild, in dem Grate und Partikel als Unregelmäßigkeit hervortreten sollen.

Für eine Membran von 300 x 800 mm für Fahrzeugbatterien kommen vier Zeilenkameras in Frage. Die Aufgabe schließt neben der Membranfläche die Dichtheit ihrer Schweißnaht ein.

Wenn der Anlagenbauer vor der Spezifikation auslegt: Prüftechnik früh mitplanen

Am Wickler aus der Partikelsuche stand die Anforderung von 50 µm auf vier Bahnseiten erst fest, als die Maschine bereits ausgelegt war. Der Anlagenbauer plant nach seinem Lastenheft, und die Prüfspezifikation des Endkunden kann später kommen. Wer die Prüfung früh in die Auslegung aufnimmt, klärt einige Punkte, bevor sie an der fertigen Maschine teuer werden:

  • Bauraum für Kamera und Beleuchtung auf beiden Bahnseiten, auch an Walzen und Umlenkungen
  • Encoder-Signal an der Prüfstelle, damit die Zeilen zum Bahnweg passen
  • kleinster Fehler, Sicherheitsfaktor und daraus Pixelgröße und Kamerazahl über die Breite
  • alle Materialtypen der Linie, von grauer bis schwarzer Beschichtung
  • Stillstandsfenster, in denen eine Nachrüstung überhaupt möglich ist
  • Übergabe des Ergebnisses an die nachfolgende Markier- oder Schneidstation

Die Liste ersetzt keinen Versuch, aber sie sorgt dafür, dass der Versuch unter den Bedingungen der Serienanlage stattfindet: mit Originalmaterial, bei Bahngeschwindigkeit und auf beiden Seiten.

Häufige Fragen

F Warum wird die Elektrodenbahn beidseitig geprüft?

A

Anode und Kathode sind auf beiden Seiten beschichtet, und ein Partikel oder eine Fehlstelle kann auf jeder Seite liegen. In einer dokumentierten Anwendung am Wickler ergeben zwei Elektroden mit je zwei Seiten deshalb vier Prüfsysteme.

F Wie groß darf ein Pixel für Partikel um 50 µm sein?

A

Das hängt vom Kontrast und vom gewählten Sicherheitsfaktor ab. Mit dem Sicherheitsfaktor 5 aus der dokumentierten Anwendung darf ein Pixel für Partikel von 50 µm rechnerisch höchstens 10 µm abdecken. Den Faktor begründet die Anwendung mit dem geringeren Kontrast auf der Beschichtung.

F Wie viele Zeilenkameras nimmt die Modellreihe XG-X auf?

A

Zwei Zeilenkameras passen an ein Erweiterungsmodul, ein Controller nimmt höchstens vier Kameras einschließlich der Zeilenköpfe auf. Vier Bahnseiten mit je einer Zeilenkamera erreichen damit rechnerisch die Obergrenze eines Controllers.

F Wie werden Pinholes in einer Membran-Elektroden-Einheit erkannt?

A

In einem dokumentierten Konzept im Durchlicht: Licht von der Rückseite zeigt nur Löcher, die durch die ganze Lage gehen. Genau diese durchgehenden Pinholes sind dort gefragt, nicht Vertiefungen an der Oberfläche.

F Kann eine All-in-One Kamera die laufende Elektrodenbahn prüfen?

A

Für eine Bahn in Bewegung ist die Zeilenkamera an der Modellreihe XG-X das dokumentierte Mittel; an VS und VS-G gibt es keine Zeilenkamera. Die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS und die Bildverarbeitung der Modellreihe VS-G kommen dort in Frage, wo die Bahn steht, das Feld klein ist oder Einzelteile wie Bipolarplatten geprüft werden.

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