DMC an der Batteriezelle: Kennzeichnen und Lesen an Rundzelle, Zellbecher und Zelldeckel

Eine Rundzelle im Format 21700 misst in dokumentierten Projekten rund 21,2 mm im Durchmesser und 70,5 mm in der Höhe. Auf dieser Mantelfläche sitzt ein Data-Matrix-Code von etwa 4,2 x 4,2 mm mit 18 x 18 Modulen, also mit einer Modulgröße von 0,23 mm. Ein Zellbecher aus dem Tiefziehprozess, ein Poldeckel für Kathode oder Anode und ein Keramikstab aus einer Zelle der Natrium-Chemie sind kaum bequemer. Die Zelle ist damit das kleinste und unwilligste Objekt der ganzen Batteriefertigung, und sie ist gleichzeitig der Punkt, an dem die Rückverfolgbarkeit anfängt: Ohne gelesene Zellidentität lässt sich ein fertiges Pack später nicht auf seine Zellen auflösen. Dieser Beitrag arbeitet die Geometrie dieser Aufgabe durch und zeigt, was nach dem Kennzeichnen noch auf die Markierung wirkt.

Wichtige Punkte im Überblick

  • Ohne gelesene Zellidentität lässt sich ein fertiges Pack später nicht auf seine Zellen auflösen, und die Leseaufgabe trifft hier auf das schwierigste Objekt der Batteriefertigung: silbern glänzend, gekrümmt und mit Modulgrößen von 0,23 bis 0,25 mm.
  • Modulgröße, Leseabstand und Sichtfeld werden gemeinsam ausgelegt, und weil ein kompakter stationärer AI-Codeleser der Modellreihe SR-X 2D-Codes ab 0,024 mm Modulgröße in 70 bis 1000 mm Abstand auflöst, ist die eigentliche Stellgröße nicht der Code, sondern das an der Zelle typische Sichtfeld von 20 x 20 mm.
  • Ein einzelner stationärer Leser erfasst deutlich weniger als 120 Grad des Zellumfangs, sodass drei Leser blinde Flecken lassen und in einem dokumentierten Aufbau erst vier bis fünf Leser rund um die Zelle den vollen Umfang abdeckten.
  • Liest die Station während der Drehung der Zelle, liefert sie neben dem Inhalt die Winkellage, und damit wird die Codeposition zur Verdrehungs- und Lagereferenz für den Handhabungsroboter oder die Reinigungsstation.
  • Die Verfahrenswahl fällt an dem, was nach dem Kennzeichnen kommt, denn ein gedruckter Code lässt sich abkratzen, während eine Laserbeschriftung ins Material geht, und auf der Zelle folgen Plasmareinigung über 360 Grad, Partikelabreinigung und eine Folie über der markierten Fläche.

Was die Zelle als Prüfteil schwierig macht: klein, silbern, zylindrisch

Drei Eigenschaften kommen zusammen. Die Zelloberfläche ist silbern und glänzt, sodass jede Beleuchtung als Reflex zurückkommt und der Kontrast zwischen hellen und dunklen Modulen einbricht. Die Fläche ist gekrümmt, also verlässt der Code an den Rändern die Fokuslage und die Module verzerren perspektivisch. Und der Code selbst ist klein: Modulgrößen von 0,23 bis 0,25 mm sind in der Anwendungspraxis dokumentiert, bei gedruckten Codes auf metallischer Oberfläche genauso wie bei gelaserten.

An mancher Stelle wurden DMC-Etiketten auf die Zelle geklebt, weil die Direktmarkierung noch nicht stand. Die Aufgabe verzeiht wenig, und lösen lässt sie sich nicht am Datenblatt.

Modulgröße, Leseabstand und Sichtfeld gemeinsam auslegen

Die drei Größen hängen zusammen, und wer nur eine davon festlegt, verschiebt das Problem an die Anlage. Aus der Modulgröße folgt, welche Auflösung das Sichtfeld tragen muss, aus Sichtfeld und Leseabstand folgt, welches Gerät überhaupt in Frage kommt.

  • Sichtfelder um 20 x 20 mm sind an der Zelle typisch, weil mehr Fläche kaum Nutzen bringt und Auflösung kostet.
  • Ein kompakter stationärer Codeleser der Modellreihe SR-X löst 2D-Codes ab einer Modulgröße von 0,024 mm auf und arbeitet in einem Leseabstand von 70 bis 1000 mm. Die 0,23 mm der Rundzelle liegen damit weit im Arbeitsbereich, und das Sichtfeld wird zur eigentlichen Stellgröße.
  • Ein gedruckter Code auf silberner Zelloberfläche wurde in einem realen Projekt aus rund 300 mm gelesen, während sich die Zelle langsam drehte.
  • Kommt der Code nicht als 18 x 18, sondern mit 14 x 14 Modulen von 0,9 mm auf 12,6 mm Kantenlänge, wie an einer Sortieranlage für Zellen dokumentiert, verschiebt sich die Auslegung ins Grobe und ein Nahbereichsgerät genügt.
  • Für breitere Durchfahrten und Etikettencodes am Zellgebinde übernimmt ein Lesegerät der Modellreihe SR-2000 mit 0,040 mm kleinster Modulgröße und 100 bis 2000 mm Leseabstand.

Belastbar wird die Auslegung erst am Originalteil. Glanzgrad, Folienauflage und Druckqualität schwanken zwischen Lieferanten stärker als zwischen Gerätevarianten.

Den ganzen Umfang abdecken: warum drei Leser Lücken lassen

Auf einer zylindrischen Zelle kann die Codeposition beliebig am Umfang liegen, solange die Zuführung sie nicht erzwingt. Ein einzelner stationärer Leser erfasst davon deutlich weniger als 120 Grad, weil der Code an den Rändern des Blickfelds so stark abfällt, dass die Module nicht mehr trennbar sind. Rechnerisch mögen drei Leser den Umfang teilen, praktisch bleiben zwischen ihnen blinde Flecken.

In einem dokumentierten Projekt begann der Versuchsaufbau mit drei kompakten Lesern im Master-Slave-Betrieb und genau diesen Lücken. Die tragfähige Konfiguration lag bei vier bis fünf Lesern rund um die Zelle. Das ist viel Hardware für ein kleines Teil, ersetzt aber die Mechanik, die die Zelle sonst vor dem Lesen drehen müsste. Bei Serientakten von 0,3 bis 0,8 Sekunden und Jahresmengen im Millionenbereich kostet ein zusätzlicher Dreh- und Ausrichtschritt mehr als ein zusätzlicher Leser. Übergibt die Zuführung die Zelle bereits lagerichtig, genügt weiterhin eine Lesestelle.

Zelle in Rotation lesen und die Verdrehung bestimmen

Der zweite Weg lässt die Zelle rotieren und liest während der Drehung. Auf einer Forschungslinie mit rund 300 Zellen pro Tag wurde ein gedruckter Code mit 0,25 mm Modulgröße genau so erfasst, wobei die Drehgeschwindigkeit einstellbar war, was die Auslegung deutlich entspannt. In der Vorserie steht dafür meist ein Rundtakttisch mit unkritischen Takten von mehreren Sekunden, während die Serienlinie später bei Bruchteilen einer Sekunde landet.

Rotation liefert eine zweite Information mit. Weiß die Station, wann der Leser den Code gesehen hat, kennt sie auch die Winkellage der Zelle. In dokumentierten Anwendungen wird genau das genutzt, etwa an einer Anlage zur Verifizierung einer Plasmareinigung über 360 Grad, in der die Drehung der Zelle anhand des Codes identifiziert wird, bei einem Sichtfeld von 20 x 20 mm. Aus der Leseaufgabe wird so eine Identitäts- und Lageaufgabe in einem Schritt.

Codeposition als Referenz für Handhabungsroboter und Reinigungsstation

An vielen Zellstationen ist die Codeposition nicht nur Identität, sondern die Referenz, die das nächste Gerät braucht. Eine dokumentierte Linie für Rohzellen liest an vier Stationen hintereinander: Die erste erfasst einen Code mit 18 x 18 Modulen auf 10 x 10 mm und bestimmt daraus die Codeposition, um die Zelle auszurichten. Erst danach folgen Folierung, Bedruckung und Qualitätsprüfung, bei der zusätzlich Codeposition, Codebewertung, Klarschrift und die Überlappung der Folie geprüft werden.

Wer Code und Lage in einem Schritt an einen Roboter übergeben will, ist mit einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS gut bedient: Sie decodiert und liefert aus derselben Aufnahme die x-y-Lage, die der Greifer oder die Reinigungsstation weiterverarbeitet. Geht es nur um Code und Winkel, bleibt der stationäre Codeleser der schlankere Weg. Die Entscheidung fällt daran, ob im gleichen Bild weitere Merkmale zu prüfen sind.

Gedruckt oder gelasert: was Plasmareinigung, Folierung und Handling überlebt

An der Zelle stehen drei Verfahren zur Wahl. Ein Continuous-Inkjet-Drucker der Modellreihe MK-G bedruckt die Zelle im Durchlauf. Der 3-Achsen-Hybrid-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-X setzt eine dauerhafte Markierung ins Material, auf dünnwandigen Zellbechern als Anlassbeschriftung ohne Materialabtrag. Der 3-Achsen-UV-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-U arbeitet bei 355 nm mit hoher Absorption und minimalem Wärmeeintrag, was auf empfindlichen und beschichteten Oberflächen zählt.

Die Wahl fällt an dem, was nach dem Kennzeichnen kommt. Gedruckte Codes lassen sich abkratzen: Ein Kunde akzeptierte das, ein anderer nicht. Auf der Zelle folgen Prozesse, die genau daran ansetzen. Eine Plasmareinigung wirkt über 360 Grad auf die Mantelfläche. An langen Keramikstäben bläst eine Partikelabreinigung schräg von oben und unten gegen die Förderrichtung, was das Drehen der Bauteile erspart, den Code aber mechanisch belastet. Über die markierte Fläche kommt in mancher Linie eine Folie, deren Überlappung anschließend selbst geprüft wird. Daraus folgt eine einfache Regel: Der Lesetest gehört an Zellen, die Reinigung, Folierung und Handling durchlaufen haben.

Zellen von Hand vorlegen: Handarbeitsplatz und Sortieranlage

Nicht jede Zelle läuft durch eine Automatik. In einem dokumentierten Fall nimmt der Werker die Zelle aus einer Kiste, hält sie einzeln vor den Leser und setzt sie danach ins Modul ein. Der Leseabstand ist frei wählbar und darf klein sein, aber der Winkel schwankt von Zelle zu Zelle. Eine Station, die nur bei exakter Vorlage decodiert, erzeugt hier Nachlesungen und Unmut.

Zwei Dinge helfen. Erstens ein Leser mit Sichtfeld und Tiefenschärfe, die diesen Winkelspielraum tragen, statt den Werker auf eine Position zu zwingen. Zweitens eine klare Rückmeldung, damit die gelesene Zelle sofort erkennbar ist. An Sortieranlagen für gebrauchte Zellen kommt hinzu, dass Codegröße und Oberflächenzustand streuen, weil die Zellen aus unterschiedlichen Quellen stammen. Dort trägt eine bewusst grob ausgelegte Leseaufgabe weiter als eine, die auf den kleinsten vorkommenden Code optimiert wurde.

Codegüte an der Zelle bewerten und die Gravur selbst nachweisen

Wo das Lastenheft eine Codegüte nennt, wird direkt nach dem Kennzeichnen bewertet. Ein stationärer Codeleser der Modellreihe SR-X liefert dazu einen Übereinstimmungswert von 1 bis 100 und zeigt damit, wie viel Reserve die Lesung hat, bevor die erste Fehllesung die Linie stoppt. Direktmarkierte Codes werden nach ISO/IEC TR 29158 beurteilt, gedruckte Codes und Etiketten nach ISO/IEC 15415.

Manchmal reicht die Codebewertung nicht. Schwankt die Markierqualität und wird die Ursache im Laser selbst vermutet, ist die Gravur das Prüfobjekt. In einem dokumentierten Fall ging es um Lasergravuren von etwa 15 µm Tiefe an Zellen für die Elektromobilität, bei denen eine verschmutzte Optik die Oberflächenstruktur veränderte. Mit einem 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X lassen sich Tiefe und Struktur quantifizieren und gute gegen auffällige Muster stellen. Aus einem Verdacht wird ein Messwert, mit dem sich Reinigungs- und Wartungsintervalle begründen lassen. Wie sich die Lesekette an Vorrichtung, Werkstückträger und Prüfstand fortsetzt, beschreibt der Beitrag „Codes in der Modul- und Packmontage lesen: Vorrichtung, Werkstückträger, Palette und Prüfstand".

Häufige Fragen

F Wie klein darf der DMC auf einer Batteriezelle sein?

A

In dokumentierten Anwendungen liegen die Modulgrößen bei 0,23 bis 0,25 mm, etwa bei einem Code von 4,2 x 4,2 mm mit 18 x 18 Modulen. Ein kompakter stationärer Codeleser der Modellreihe SR-X löst 2D-Codes ab 0,024 mm Modulgröße auf, sodass nicht der Code die Grenze setzt, sondern das gewählte Sichtfeld und der Leseabstand.

F Warum reichen drei Codeleser an einer Rundzelle nicht aus?

A

Ein einzelner stationärer Leser erfasst deutlich weniger als 120 Grad des Umfangs, weil der Code am Rand des Blickfelds nicht mehr sauber aufgelöst wird. Drei Leser lassen deshalb blinde Flecken. In einem dokumentierten Aufbau führte erst eine Anordnung aus vier bis fünf Lesern zu einer vollständigen Abdeckung des Umfangs.

F Kann man den Code lesen, während sich die Zelle dreht?

A

Ja, und in vielen Zellanwendungen ist das der einfachere Weg. Auf einer Forschungslinie wurde ein gedruckter Code mit 0,25 mm Modulgröße in langsamer Drehung erfasst, wobei die Drehgeschwindigkeit einstellbar war. Die Drehung liefert zusätzlich die Winkellage der Zelle, die an Roboter oder Reinigungsstation weitergegeben werden kann.

F Übersteht die Markierung Plasmareinigung und Folierung?

A

Nur wenn das Verfahren darauf ausgelegt wurde. Gedruckte Codes lassen sich abkratzen, während eine Laserbeschriftung ins Material geht. Auf der Zelle wirken Plasmareinigung über 360 Grad, Partikelabreinigung und eine Folie über der markierten Fläche, deshalb gehört der Lesetest an Zellen, die diese Schritte durchlaufen haben.

F Wie lässt sich eine schwankende Gravurqualität nachweisen?

A

Der Codeleser bewertet das Ergebnis über einen Übereinstimmungswert von 1 bis 100 und nach ISO/IEC TR 29158. Steht die Vermutung im Raum, dass eine verschmutzte Laseroptik die Oberflächenstruktur verändert, wird die Gravur selbst gemessen: Ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X quantifiziert eine Gravurtiefe von etwa 15 µm und die zugehörige Oberflächenstruktur.

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