Oberflächen- und Defektprüfung in der Batteriefertigung: von der Elektrodenbahn bis zum Batteriegehäuse

In der Batteriefertigung zeigt sich ein kleiner Fehler oft erst zwei Prozessschritte später. Ein Metallpartikel auf der Elektrode kann beim Stapeln oder Wickeln einen Kurzschluss auslösen, eine beschädigte Isolierfolie tut dasselbe im Modul, und eine Falte, die ungeprüft in den Kalander gelangt, gefährdet die Walzen. Dieser Leitfaden folgt dem Produkt in Prozessreihenfolge: von der Elektrodenbahn und der Membran über die Zellhülle und die Kontaktteile bis zum Gehäuse am Linienende. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen und beschreiben Aufgaben und Anforderungen.

Wichtige Punkte im Überblick

Die Defektprüfung bewertet Pore, Riss, Verfärbung, Pinhole oder Fremdpartikel als gut oder schlecht, und als Faustregel gilt: Maß mit Toleranz ist Messung, Gut/Schlecht ist Defektprüfung.
Auf der laufenden Elektrodenbahn ist die über einen Encoder getaktete Zeilenkamera an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X die dokumentierte Geräteklasse.
Wo der Fehler eine Form ist und keine Farbe, setzt LumiTrax aus mehreren Beleuchtungsrichtungen ein Formbild und ein Texturbild zusammen.
Poren auf schwarzem Guss zeigen sich im 3D-Bild als Vertiefung, auch wo die Farbe keinen Unterschied macht, deshalb kommt für Fehler ohne Grauwertkontrast ein Höhenbild in Frage.
Wo die Schwelle zwischen gut und schlecht liegt, klären Grenzmuster, in einer Anwendung zu Pouchzellen etwa ein Golden Sample statt einer Messsystemanalyse.

Defekt, Maß, Anwesenheit: welche Frage die Prüfstation beantwortet

Die Oberflächen- und Defektprüfung fragt, ob ein Teil, das da ist und das richtige ist, einen Fehler hat und welcher Art er ist. Pore, Riss, Verfärbung, Pinhole oder Fremdpartikel werden als gut oder schlecht bewertet. Wird dagegen ein Maß mit Toleranz gefragt, etwa Dellentiefe an Wanne und Deckel, Nahtbreite, Schichtdicke oder Grat an der Elektrodenkante, gehört die Aufgabe zur Maßprüfung. Als Faustregel gilt: Maß mit Toleranz ist Messung, Gut/Schlecht ist Defektprüfung.

Ob ein Teil fehlt, klärt die Anwesenheitsprüfung, welcher Typ vorliegt, die Typunterscheidung, und wo es liegt, die Lageprüfung. An der Isolierfolie eines Moduls lässt sich das zeigen. Fehlt sie, ist das eine Anwesenheitsfrage, ist sie verschoben, eine Lagefrage, und sitzt unter ihr eine Luftblase, wieder eine Defektfrage.

Auf der Elektrodenbahn: Partikel und Beschichtungsfehler beidseitig im Lauf

Auf Anode und Kathode wird geprüft, bevor der nächste Prozess den Fehler einschließt. An einem Wickler sind Verschmutzungen am Kalander und an der Bahnkante zu erkennen, Metallpartikel um 50 µm, auf dem Ableiter gut sichtbar, auf der Beschichtung kontrastärmer. Weil beide Elektroden auf beiden Seiten zu prüfen sind, geht es um vier Systeme. In einer Elektrodenfertigung läuft die Bahn mit etwa einem Meter pro Sekunde, gesucht sind Partikel von 50 bis 70 µm. Eine weitere Anwendung nennt vier Materialtypen, zwei graue und zwei schwarze, mit Löchern, Kratzern, Falten und Abrieb, der sich als gräuliche Verfärbung zeigt. Um die Kalanderwalzen zu schützen, ist an dünner, schwarz beschichteter Folie eine Prüfung auf Klebestellen und Falten gefragt.

Wo sich die Bahn bewegt, ist die Zeilenkamera an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X die dokumentierte Geräteklasse. Sie wird über einen Encoder getaktet, je Erweiterungsmodul sind zwei Zeilenkameras möglich, insgesamt bis zu vier.

An Brennstoffzelle und Membran ähnelt die Aufgabe der Bahn. Für eine beschichtete Brennstoffzellenbahn sind fehlender Katalysator und Fehler bis hinunter zu 10 µm gefragt. In einem Konzept sollen Bipolarplatten auf Grate und Sinterpartikel ohne Vermessung geprüft werden und die Membran-Elektroden-Einheit auf durchgehende Pinholes im Durchlicht. Eine Batteriemembran von 300 x 800 mm soll mit vier Zeilenkameras geprüft werden.

An der Zelle: Becher, Mantel, Pouch und Knopfzelle rundum prüfen

Die Zellhülle ist rund, glänzend oder transparent und muss von jeder Seite gesehen werden. Ein Becherhersteller sucht Kratzer, Schlagstellen und Rost innen und außen: den Mantel mit Zeilenkamera, die Stirnseiten mit Flächenkamera, das Innere durch die Öffnung. Ob dafür ein Endoskop genügt, bleibt eine Testfrage. Beim selben Hersteller wurde eine Defektprüfung an Hülsen mit Kameras getestet; eine vollständige Prüfung jedes Teils ist dort mechanisch nicht möglich, vorgesehen ist ein Stichprobenkonzept.

Gefragt sind außerdem die Prüfung des Mantels einer großformatigen Rundzelle auf Kratzer um 16 µm samt Umhüllungsfolie und eine Prüfung der Unterseite eines Zellgehäuses neben einer Rundheitsprüfung, bei der LumiTrax ausdrücklich genannt ist. An einer prismatischen Zelle geht es um Foliendefekte auf beiden Seiten sowie Ausbrüche und Korrosion am Zellkontakt. Knopfzellen von 7 bis 16 mm sollen nach 25 Kriterien bei drei Teilen pro Sekunde geprüft werden, darunter Kratzer, Dellen und Elektrolytaustritt.

Für Stirnseiten, Deckel und Knopfzelle passt die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS. Für eine transparente, UV-aktive Dichtung an einem kleinen Zellendeckel nennt eine Anwendung die AI-Segmentierung. Wo der Fehler eine Form ist und keine Farbe, setzt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G mit LumiTrax aus mehreren Beleuchtungsrichtungen ein Formbild und ein Texturbild zusammen. Für den drehenden Mantel bleibt die Zeilenkamera an der Modellreihe XG-X.

Am Busbar: Schäden vor dem Umspritzen und Fügen

Ein Busbar wird gestanzt, beschichtet, transportiert und umspritzt, oft von verschiedenen Unternehmen, und an jedem Schritt kann ein Schaden entstehen. An verzinnten Kupferbusbars löst sich in einer dokumentierten Anwendung die Beschichtung durch Transportschäden. Der Endkunde verlangt eine Prüfung, gedacht ist eine Stichprobe am Handarbeitsplatz mit bereitgestellten Grenzmustern; die dort vorgeschlagene Dickenmessung gehört zur Maßprüfung. An Aluminiumkontakten, die aus dem Band gestanzt werden, sind Späne und Doppelstanzungen zu erkennen, die die Oberfläche beschädigen. Risse in Busbars treten in einer Prozessvalidierung auf.

Ob die All-in-One Kamera mit LumiTrax Kratzer und Späne auf glänzendem Kupfer und Aluminium sicher trennt, klärt der Test. Steht ein Riss als Höhenstufe, kommt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage.

Am Gehäuse: Poren, Lunker und Beschichtungsfehler auf großen Flächen

Batteriegehäuse sind groß, oft schwarz oder silbern, und haben mehrere Seiten. Für einen gegossenen Batterierahmen am Linienende sind Poren, Blister und Risse ab 0,6 mm zu finden, voraussichtlich mit rund zwei Dutzend Kameras. Ein PUR-geschäumtes Batterieteil soll auf Lunker von 1 bis 2 mm und Überschäumungen an den Trennkanten geprüft werden, fünf Seiten und die Unterseite mit Roboterhandling. An einem Ladeanschluss aus Druckguss wurden in einem Test an zwei von drei Bereichen Fehler wie Grat und Dellen mit der All-in-One Kamera erkannt.

Auch die Schutzschicht ist eine Oberfläche. Am Packgehäuse sollen nach Tauchlackierung und Lack an mehr als zehn Positionen Fehlstellen ab 1 mm mit Kameras am Roboterarm gefunden werden, dazu die PVC-Beschichtung. In der Rille einer Wanne geht es um Lufteinschlüsse im PVC-Steinschlagschutz, schwarz auf beige. In einer Folie am Wärmetauscher eines Batteriegehäuses sind Blasen über 2 mm zu erkennen.

Die Bildverarbeitung der Modellreihe VS-G nimmt bis zu acht Kameras an einem Controller auf; rund zwei Dutzend Kameras verteilen sich rechnerisch auf mindestens drei Controller. Auf Gussoberflächen, wo Poren als Form erscheinen, bringt LumiTrax den Kontrast. Für einzelne Felder und kleinere Deckel genügt die All-in-One Kamera.

Schweißstellen als Erscheinungsfehler: Loch, Fehlstelle und Riss ohne Maß

Breite, Überhöhung und Spritzer einer Naht sind Messtechnik. Als Defektfrage bleibt, wie die Stelle aussieht. Für Schweißnähte an einer Batterie, an einer automatischen Linie und einem Handarbeitsplatz, sind Löcher, Fehlstellen und zu viel Schmauch als Ausfallkriterien genannt.

Eine Kaltverschweißung der Anodenfolie soll aus 90 mm Abstand auf Fehler und Risse geprüft werden. Für Löcher und Fehlstellen, die als Vertiefung erscheinen, kommt der Profilsensor in Frage, für die Folienschweißung der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4, der ab einem einzigen registrierten Bild mit AI Identify arbeitet.

Wenn der Fehler eine Höhe ist: transparente Pouch, schwarzer Guss und Packs in zwei Farben

Manche Fehler haben im Grauwertbild kaum Kontrast. Auf der transparenten Oberfläche einer Pouchzelle sollen Dellen erkannt werden; in dieser Anwendung steht die Erkennung an erster Stelle, die Tiefe als Wert ist eine Zusatzfrage für die Maßprüfung. Foliendefekte und Ausbrüche an der prismatischen Zelle und Risse an einem beschichteten Teil einer Zinkbatterie gehören in dokumentierten Anwendungen ebenfalls zu den Kandidaten für ein Höhenbild. Poren auf schwarzem Guss zeigen sich im 3D-Bild als Vertiefung, auch wo die Farbe keinen Unterschied macht.

Für ein Cell-to-Pack-Gehäuse mit schwarzer Oberfläche und einer silbernen neuen Generation auf derselben Linie kommen drei 3D Laser-Snapshot-Sensoren der Modellreihe LJ-S8000 in Frage, die ein Pneumatikzylinder verfährt, bei einem Feld von deutlich über einem Meter in beiden Richtungen.

Der Profilsensor mit einem X-Feld von 7,0 bis 510 mm je nach Messkopf und der Snapshot-Sensor mit einem Feld bis 640 x 640 mm arbeiten an der Modellreihe XG-X als Controller. Sie werten Höhe statt Helligkeit aus; die Belichtung auf schwarzer und silberner Oberfläche gehört trotzdem in den Test.

Bauraum, beide Bahnseiten, Roboter als Kameraträger: die Station in der Batterielinie

An der Batterielinie ist die Station oft enger als die Aufgabe. Am Wickler begrenzen Bauraum und feste Stillstandsfenster, wann eine Prüfung nachgerüstet werden kann, und jede Bahnseite braucht eigene Kameras. Häufig legt ein Anlagenbauer die Maschine aus, bevor die Prüfspezifikation des Endkunden feststeht; wer die Prüfung früh mitplant, baut später weniger um.

Große Gehäuse zeigen den anderen Weg. In mehreren dokumentierten Anwendungen soll ein Roboter die Kamera oder das Teil bewegen, am Packgehäuse zu mehr als zehn Positionen, an einem Batteriebehälter, der selbst am Roboter hängt. Die Aufgabe bleibt dann eine Oberflächenfrage; das Greifen und Führen selbst behandelt der Artikel zur Robotik.

Wo die Schwelle liegt, klären Grenzmuster. In der Anwendung zu Pouchzellen soll die Validierung über ein Golden Sample statt über eine Messsystemanalyse erfolgen. Für eine großflächige Analyse von Batterieoberflächen auf Kratzer und Abweichungen bis 0,1 mm kommt in der Qualitätssicherung das 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 in Frage, ein Gerät, das neben der Linie als Referenz dient. Wie Machbarkeit und Nachweis vor der Abnahme geplant werden, beschreibt die Übersichtsseite zur Batteriefertigung.

Häufige Fragen

F Was unterscheidet Defektprüfung und Maßprüfung in der Batteriefertigung?

Die Defektprüfung bewertet einen Fehler am vorhandenen, richtigen Teil als gut oder schlecht, etwa eine Pore, einen Kratzer oder ein Pinhole. Die Maßprüfung bewertet einen Wert mit Toleranz, etwa Dellentiefe, Nahtbreite, Schichtdicke oder Grathöhe.

F Warum braucht die Elektrodenbahn eine Zeilenkamera?

Die Bahn bewegt sich in dokumentierten Anwendungen mit 15 m/min bis etwa einem Meter pro Sekunde und hat kein Ende, an dem ein Flächenbild abschließt. Die Zeilenkamera an der Modellreihe XG-X setzt das Bild über einen Encoder Zeile für Zeile zusammen. Rechnerisch braucht eine Auflösung von 25 µm in Bahnrichtung bei einem Meter pro Sekunde 40.000 Zeilen pro Sekunde, und für Partikel um 50 µm setzt eine dokumentierte Anwendung einen Sicherheitsfaktor von mindestens 5 auf die Pixelgröße.

F Wie wird der Mantel einer Rundzelle rundum geprüft?

In dokumentierten Anwendungen dreht sich die Zelle vor einer Zeilenkamera, die den Mantel abwickelt, während Flächenkameras die Stirnseiten aufnehmen. Kratzer um 16 µm und Fehler in der Umhüllungsfolie sind dabei die genannten Kriterien. Die Innenseite eines Bechers ist eine eigene Testfrage.

F Wann ist 3D für Oberflächenfehler an Batteriebauteilen sinnvoll?

Wenn der Fehler eine Höhe ist und im Grauwertbild wenig Kontrast hat, etwa eine Delle auf transparenter Pouchfolie, eine Pore auf schwarzem Guss oder ein Riss als Stufe. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 und der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 werten Höhe statt Helligkeit aus. Wird die Tiefe als Wert mit Toleranz verlangt, gehört die Aufgabe zur Messtechnik.

F Wie viele Kameras braucht ein großes Batteriegehäuse?

Das hängt von Bildfeld, kleinstem Fehler und Zahl der Seiten ab; eine dokumentierte Anwendung für einen Gussrahmen nennt voraussichtlich rund zwei Dutzend Kameras. Die Modellreihe VS-G nimmt bis zu acht Kameras je Controller auf. Alternativ bewegt ein Roboter Kamera oder Teil zu mehreren Positionen.

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