Elektrodenbahnen, Folien und Stromleiter kennzeichnen: DMC und Fehlermarkierung im laufenden Band

In der Elektrodenfertigung kippt die Rangfolge der Probleme. Auf Wanne und Gehäuse bestimmt die Oberfläche, welches Verfahren trägt; auf einer Elektrodenbahn bestimmt die Geschwindigkeit fast alles andere mit. Dokumentierte Bandgeschwindigkeiten reichen von 10 m/min auf einer schwarzen Folienbahn über 50 m/min auf Elektrodenfolie bis zu Markierversuchen bei 250 bis 300 m/min auf Aluminium und Kupfer. Dazu kommt eine Bedingung, die in keinem anderen Teil der Batteriefertigung so scharf auftritt: Die Markierung darf die Beschichtung nicht verletzen und soll möglichst keinen Staub erzeugen. Dieser Beitrag rechnet die Aufgabe von der Bahn her durch, trennt Kennzeichnung von Fehlermarkierung und endet an den Stromleitern, wo Kupfer und glasfaserverstärkter Kunststoff in einem Takt liegen.

Wichtige Punkte im Überblick

Auf der Bahn bestimmt die Geschwindigkeit die Auslegung, und drei Zahlen legen die Aufgabe fest: die Bandgeschwindigkeit, die in dokumentierten Fällen von 10 m/min auf schwarzer Folienbahn über 50 m/min auf Elektrodenfolie bis zu Markierversuchen bei 250 bis 300 m/min reicht, der Pitch zweier Codes in Laufrichtung und die Anzahl der Spuren über die Bandbreite.
Aus Bandbreite, Spuranzahl und Pitch folgt die Kopfzahl, und weil jede der beiden Außenkanten einen eigenen Kopf braucht, liegt sie über dem Wert, der sich allein aus der Bandbreite ergibt.
Die Aktivmaterialschicht darf nicht verletzt werden und der Prozess soll möglichst keinen Staub erzeugen, weshalb der 3-Achsen-UV-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-U mit hoher Absorption bei 355 nm, minimalem Wärmeeintrag und geringem Abtrag in diesen Projekten die erste Wahl ist.
Eine Fehlermarkierung trägt keine Identität, sondern eine Anweisung an die Schneidstation, und das dokumentierte Muster aus zwei äußeren Strichen von 20 mm, einem Strich in Laufrichtung und einem Data-Matrix-Code ergibt die langgezogene H-Form, die Continuous-Inkjet-Drucker der Modellreihe MK-G quer zur Bahn aufbringen.
Am Stromleiter treffen zwei Werkstoffe in einer Station aufeinander, und bei einem Kupfer-Busbar mit orangem, glasfaserverstärktem Gehäuse standen 25 Sekunden Markierzeit einem Stationstakt von 30 Sekunden gegenüber, wobei die Reserve nicht der Werkstoffwechsel, sondern der Umfang der Klarschrift und die Verfahrwege aufbrauchen.

Kennzeichnen im laufenden Band: Bandgeschwindigkeit, Pitch und Spuranzahl

Drei Zahlen legen die Aufgabe fest, und sie stehen meist schon im Lastenheft: die Bandgeschwindigkeit, der Pitch als Abstand zweier Codes in Laufrichtung und die Anzahl der Spuren über die Bandbreite. Aus Geschwindigkeit und Pitch folgt die Codefrequenz je Spur. Bei 50 m/min und einem Code alle 200 mm sind das gut vier Codes je Sekunde, bei 150 m/min und 220 mm Pitch mehr als elf.

Aus dokumentierten Anwendungen lassen sich zwei typische Konstellationen ablesen. Die eine arbeitet mit einem Data-Matrix-Code von 20 x 20 Punkten alle 200 mm bei 50 m/min. Die andere legt kleinere Codes mit 12 x 12 Modulen in vielen Spuren nebeneinander über eine Bandbreite von mehr als einem Meter aus, bei deutlich höherer Foliengeschwindigkeit. Beide sind lösbar, verlangen aber eine unterschiedliche Anlagenarchitektur. Die Codegröße sollte dabei nicht vorschnell festgeschrieben werden: In einem Projekt blieb sie ausdrücklich offen, weil sie sich erst nach den Markierversuchen sinnvoll festlegen lässt.

Wie viele Markierköpfe eine Bahn braucht

Sobald mehrere Spuren nebeneinander laufen, wird die Kopfzahl zur eigentlichen Auslegungsfrage. Ein Markierkopf deckt ein begrenztes Feld quer zur Laufrichtung ab, also teilt sich die Bandbreite auf mehrere Köpfe auf. Die Zahl der UV-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-U folgt aus Bandbreite, Spuranzahl und Pitch. Dazu kommt eine Regel: Jede der beiden Außenkanten braucht einen eigenen Kopf, sodass die Kopfzahl über dem Wert liegt, der sich allein aus der Bandbreite ergibt.

Ein Kopf kann mehr als einen Code je Zyklus setzen, wenn die Zeit dafür reicht. Genau das wurde in dem Projekt möglich, nachdem sich zeigte, dass ein stationärer 1D- und 2D-Codeleser der Modellreihe SR-2000 die Codes auch in der höchsten Geschwindigkeitseinstellung sicher decodierte. Die Rechnung lohnt früh, denn jeder Kopf braucht Platz über der Bahn, eine Laserschutzeinhausung und eine Absaugung. Diese Randbedingungen bestimmen das Maschinenlayout stärker als der Laser selbst.

Beschichtung nicht verletzen und Staubentwicklung begrenzen

Zwei Anforderungen ziehen in dieselbe Richtung. Die Aktivmaterialschicht auf der Folie darf nicht beschädigt werden, und der Markierprozess soll möglichst keinen Staub erzeugen, weil Partikel in der Zellfertigung eine Linie stoppen. Beides spricht gegen eine tiefe Gravur und für minimalen Abtrag.

Der UV-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-U ist in diesen Projekten deshalb die erste Wahl: Bei 355 nm ist die Absorption in vielen Beschichtungen hoch, sodass ein lesbarer Kontrast mit minimalem Wärmeeintrag und geringem Abtrag entsteht. Der 3-Achsen-Hybrid-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-X kommt dort in Frage, wo das Substrat mehr verträgt und wo ohnehin metallische Träger markiert werden. In einer dokumentierten Anwendung galt die Aufgabe mit beiden Verfahren als lösbar, allerdings unter einer ausdrücklichen Bedingung: Beschädigung darf kein zu großes Thema sein. Im Lastenheft stand dazu nichts, was den Punkt nicht erledigt, sondern nur verschiebt. Wer Staubreduzierung und Beschichtungsschutz nicht schriftlich hat, klärt sie besser vor dem ersten Markierversuch.

Nach dem Beschichten oder nach dem Kalandrieren kennzeichnen

Der Ort in der Prozesskette verändert die Aufgabe. Zwei parallel verfolgte Konzepte aus dokumentierten Anwendungen zeigen das deutlich: Das eine bringt die Markierung schon nach dem Beschichten auf und rechnet mit rund 400 m/min, das andere setzt sie nach dem Kalandrieren bei etwa 150 m/min.

Früh zu markieren heißt, eine frisch beschichtete Oberfläche vor sich zu haben und die höchste Bandgeschwindigkeit der Linie zu bedienen. Die Markierung muss danach das Kalandrieren überstehen, das die Schicht verdichtet und die Oberfläche verändert. Spät zu markieren heißt, auf eine fertig verdichtete Fläche zu schreiben, bei niedrigerer Geschwindigkeit und mit besser planbarem Ergebnis, dafür bleibt der Beschichtungsschritt ohne eigene Identität. Für die eigene Auslegung folgt daraus, die Machbarkeit an der realen Bahn nachzuweisen, mit Musterfolie aus dem echten Prozess.

Fehlermarkierung ist keine Kennzeichnung: Striche, Muster und Schnittstelle zur Schneidstation

Eine Fehlermarkierung trägt keine Information über das Teil, sondern eine Anweisung an die nächste Station: Dieser Abschnitt muss heraus. Sie darf deshalb grob sein, muss aber eindeutig erkennbar bleiben und an definierten Positionen über die Bandbreite sitzen.

Ein dokumentiertes Layout auf einer schwarzen Folienbahn von 500 mm Breite bei 10 m/min arbeitet mit zwei Markierstationen. Je Station stehen außen ein Strich von 20 mm, in der Mitte ein Strich in Laufrichtung samt Data-Matrix-Code und unten wieder ein Strich von 20 mm. Zusammengesetzt ergibt das ein Muster, das wie ein langgezogenes H aussieht, und genau diese Form erkennt die Schneidstation. Aufgebracht wird es von mindestens drei Druckköpfen quer zur Bahn, mit der Option auf zwei weitere in der Mitte, damit der Abstand der Striche nicht zu groß wird. Dafür eignen sich Continuous-Inkjet-Drucker der Modellreihe MK-G mit dem Inline MK-Dock, weil sie berührungslos auf die laufende Bahn schreiben und sich in die Transferanlage einhängen lassen. Für Wasserstoff- und Brennstoffzellenkomponenten vertieft das der Beitrag „Wasserstoff und Brennstoffzelle kennzeichnen: Tank, Anschlussstück, Membran und Stack".

Ein zweiter Fall betrifft die Spiegelung zwischen den Elektroden: Eine an der Kathode erkannte Fehlerstelle wird auf die Anode dupliziert, über acht Bahnen hinweg, mit Übergabe der Positionen über digitale Signale.

Separatorfolie und Klebeband: kleine Codes vor dem nächsten Prozess lesen

Auf der Separatorseite werden die Codes klein und die Leseaufgabe eng. Dokumentiert sind Data-Matrix-Codes mit 3 x 3 und 5 x 5 Modulen, aufgebracht auf die Folie selbst oder auf das Klebeband daneben, gelesen vor dem Beschichten und am Schneidprozess im Notching. Ein kompakter stationärer AI-Codeleser der Modellreihe SR-X deckt diese Spanne ab; welche Variante genügt, hängt weniger am Code als am verfügbaren Leseabstand und am Platz über der Bahn.

Bei so wenigen Modulen fällt jede Störung ins Gewicht, weil kein Modul redundant ist. Ruhezone, gleichmäßiger Untergrund und eine Beleuchtung, die die Folie nicht durchleuchtet, zählen hier mehr als die Auflösungsreserve des Lesegeräts.

Busbars und Zellverbinder: Kupfer und glasfaserverstärkter Kunststoff in einem Takt

Am Stromleiter wechselt die Aufgabe von der Bahn zum Einzelteil, und zwei Werkstoffe treffen in einer Station aufeinander. Ein dokumentiertes Projekt kennzeichnet einen Busbar aus Kupfer und ein oranges, glasfaserverstärktes Gehäuse mit DMC und Klartext, bei einem Stationstakt von 30 Sekunden und rund 25 Sekunden Markierzeit. Die Reserve ist dünn, und sie wird nicht vom Werkstoffwechsel aufgebraucht, sondern vom Umfang der Klarschrift und den Verfahrwegen zwischen den Positionen.

Ähnlich sieht es am Zellkontaktiersystem aus: 12 Sekunden Anlagentakt, davon 8 Sekunden Lasern, und in der Projektphase kam zum DMC noch ein Logo hinzu, was die Markierzeit unmittelbar verlängerte. Wer solche Stationen auslegt, schreibt den Inhalt der Markierung besser so früh fest wie die Taktzeit. Den Rahmen für die Verfahrenswahl auf Kupfer, Aluminium und glasfaserverstärkten Compounds gibt der Beitrag „Batteriekomponenten dauerhaft kennzeichnen: DMC-Laserbeschriftung auf Wanne, Rahmen und Gehäuse".

Code bei Bandgeschwindigkeit zurücklesen

Eine Markierung ohne Gegenlesung bleibt eine Annahme. Auf der laufenden Bahn ist das Gegenlesen gleichzeitig der Nachweis, dass die gewählte Geschwindigkeit trägt: In dem beschriebenen Elektrodenprojekt decodierte ein Lesegerät der Modellreihe SR-2000 die Codes in der höchsten Geschwindigkeitseinstellung, was die Anlagenkonfiguration überhaupt möglich machte.

Am Einzelteil sieht das anders aus. Auf dem Busbar liegen zwei Codes auf der Baugruppe, die anschließend in einer Sequenz gelesen werden sollen, möglichst innerhalb eines Programmablaufs statt über zwei getrennte Stationen. Auf blanken, eloxierten und beschichteten Flächen ist Blendung das Hauptthema, hier holen Polarisation und ein automatisch eingestelltes Beleuchtungsprogramm den Kontrast zurück. Liegt der Code unter einer Folie und wird von Hand erfasst, sind mobile Computer der Modellreihe BT-A700 und der kompaktere BT-A600 die passende Geräteklasse, weil sie durch die Folie hindurch decodieren und das Ergebnis direkt in die Buchung schreiben. Wie sich dieselbe Leseaufgabe an der Zelle selbst verhält, beschreibt der Beitrag „DMC an der Batteriezelle: Kennzeichnen und Lesen an Rundzelle, Zellbecher und Zelldeckel".

Häufige Fragen

F Bis zu welcher Bandgeschwindigkeit lässt sich ein DMC auf Elektrodenfolie lasern?

In dokumentierten Anwendungen wird bei 50 m/min mit einem Code alle 200 mm gearbeitet, und in Versuchen wurden 250 bis 300 m/min auf Aluminium- und Kupferfolie erreicht. Ein Konzept rechnet mit rund 400 m/min nach dem Beschichten. Verbindlich wird eine solche Zahl erst durch einen Versuch an der realen Bahn mit Musterfolie aus dem Prozess.

F Wie viele Markierköpfe braucht eine mehrspurige Elektrodenlinie?

Das folgt aus Bandbreite, Spuranzahl und Pitch: Jeder UV-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-U deckt ein begrenztes Feld quer zur Laufrichtung ab, und jede der beiden Außenkanten braucht einen eigenen Kopf. Die Kopfzahl liegt deshalb über dem Wert, der sich allein aus der Bandbreite ergibt. Kann ein Kopf zwei Codes je Zyklus setzen, sinkt diese Zahl.

F Wie kennzeichnet man, ohne die Beschichtung zu beschädigen und Staub zu erzeugen?

Über minimalen Abtrag statt tiefer Gravur. Der UV-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-U markiert bei 355 nm mit hoher Absorption und minimalem Wärmeeintrag, was den Materialabtrag und damit die Staubentwicklung begrenzt. Beschichtungsschutz und Staubreduzierung gehören als Anforderungen ins Lastenheft, weil sie sonst erst im Markierversuch auffallen.

F Was unterscheidet eine Fehlermarkierung von einer Kennzeichnung?

Die Kennzeichnung trägt eine Identität, die Fehlermarkierung eine Anweisung an die Schneidstation. Dokumentiert sind Striche von 20 mm außen, ein Strich in Laufrichtung in der Mitte und ein Data-Matrix-Code, zusammen als langgezogenes H, aufgebracht von mindestens drei Druckköpfen quer zur Bahn. Erkannt wird das Muster von der nachfolgenden Schneidstation.

F Lässt sich der Code direkt hinter dem Laser bei voller Bandgeschwindigkeit gegenlesen?

Ja, das ist in einem Elektrodenprojekt belegt: Ein Lesegerät der Modellreihe SR-2000 decodierte die Codes in der höchsten Geschwindigkeitseinstellung. Damit wird das Gegenlesen zum Nachweis, dass die geplante Bandgeschwindigkeit trägt, und ein Markierkopf kann bei ausreichender Zeit zwei Codes je Zyklus setzen.

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