Der größte Teil aller weltweit produzierten Batterien stammt aus Asien. Zahlreiche Industriezweige, allen voran die Automobilbranche, würden angesichts der aktuellen Lieferkettenprobleme jedoch europäische Produktionsstätten für Batterien bevorzugen.

Der Fertigungsprozess von Lithium-Ionen-Akkus und Batterien auf Basis anderer chemischer Bestandteile ist an sich relativ einfach: Viele Prozessschritte bestehen darin, Beschichtungen von zum Teil seltenen und damit teuren Materialien auf dünnen Trägerfolien zu realisieren und daraus die für die Batterien erforderlichen Anoden-, Kathoden und Trennfolien zu produzieren. Diese müssen anschließend in der korrekten Abfolge geschichtet und in Gehäuse verpackt werden. Treten bei diesen Abläufen Fehler auf, ist ein Recycling der eingesetzten Materialien meist schwierig, da es dafür noch kaum industriell etablierte und effiziente Verfahren gibt. Dadurch wird Ausschuss sehr teuer und der Gesamtprozess wird schnell unwirtschaftlich.

Um die Fehlerquote und damit den Ausschuss zu reduzieren, ist es erforderlich, jeden einzelnen Prozessschritt während der Produktion von Batterien zu überwachen und auftretende Fehler so schon früh im Prozess zu erkennen. Für die Prüfung beschichteter und unbeschichteter Folien gibt es von Mitsubishi Electric eine spezielle Technologie: Viele der beschriebenen Prozessschritte lassen sich mit Line Scan Bars beziehungsweise Zeilensensoren überwachen.

Verzerrungsfreie Bildaufnahme

Line Scan Bars erfassen die Bilddaten von flachen Endlosmaterialien und Bahnware zeilenweise und mit einem Abstand von nur wenigen Millimetern zwischen Sensor und Prüfobjekt. Ihre optische Auslegung ermöglicht eine verzerrungsfreie Bildaufnahme, was die anschließende Auswertung vereinfacht. In Einsatz sind die Line Scan Bars beispielsweise in der Qualitätsprüfung von Papier, Textilien, Stahlblechen und anderen flachen Objekten.

In der Batteriefertigung können die Geräte die beiden dort vorliegenden Hauptaufgaben in der Qualitäts- und Prozesskontrolle übernehmen: Zum einen ermöglichen sie eine sichere und schnelle Inspektion von Folien auf Fehler, Kratzer, Löcher oder Verfärbungen, die zu einer reduzierten Leistung der Batterien führen können. Zum anderen eignen sie sich dazu, die Maßhaltigkeit von Beschichtungen sowie Abstände und andere geometrische Vorgaben zu überprüfen. Dank ihrer telezentrischen Auslegung lösen Line Scan Bars auch das Problem, dass die verwendeten Folien und Beschichtungen oft sehr stark reflektieren.

Mehr als nur Qualitätskontrolle

Der Fertigungsprozess von Batterien umfasst viele Prozessschritte, in denen Line Scan Bars von Mitsubishi Electric neben der Qualitätssicherung auch zur Prozesskontrolle und -optimierung eingesetzt werden können.

© Mitsubishi Electric Europe

Auf Basis der Factory Automation-Komponenten des Unternehmens kann Mitsubishi Electric eine durchgängige Lösung schaffen, die die Effektivität von Produktionsabläufen optimiert. Dabei sind die Line Scan Bars die Schlüsselkomponente, die mehr als die reine Qualitätsprüfung übernehmen kann: In Zusammenarbeit mit Systemen zur Bildanalyse können die Zeilensensoren als OPC-UA Client standardisiert mit übergeordneten OPC-UA Servern in den Anlagen kommunizieren und erlauben auf diese Weise direkte Rückmeldungen von Ergebnissen an die Anlage. Die von Mitsubishi Electric entwickelte Architektur basierend auf dem OPC-UA Standard ermöglicht eine schnelle Anpassung von Einstellungen der beteiligten Automatisierungskomponenten und damit eine umgehende Rückkopplung, sobald Messwerte an einer beliebigen Stelle im Prozess nicht den Vorgaben entsprechen. Durch eine sofortige Reaktion der Anlage können Einstellungen sowohl an Automatisierungssystemen in der Anlage als auch an den Line Scan Bars optimiert und dadurch teurer Ausschuss reduziert werden.

Neue Erkenntnisse zur Prozessoptimierung

Neben der direkten Rückkopplung von aufgenommenen Sensordaten in die Anlage erlauben die Systeme mit der Bezeichnung ‚Qi<+>Pro‘ (Quality Inspection and Process Optimization) einen weiteren Schritt in Richtung mehr Effektivität in der Batteriefertigung: Alle aufgenommenen Daten können in einer Cloud gespeichert und dort analysiert werden, um Standort-übergreifende Ergebnisse zu bündeln und beispielsweise für alle Anlagen eines Batterieherstellers zu nutzen. Hintergrund dieser Option ist, dass laut Angaben von Mitsubishi weltweit noch kein offizieller Fehlerkatalog existiert, der den Einfluss einzelner Fehler und ihrer Folgen zum Beispiel auf die Batterielaufzeiten und andere Kennwerte einer Batterie definiert.

Der Autor: Peter Stiefenhöfer ist Inhaber von PS Marcom Services in Olching.

© Peter Stiefenhöfer

Mit Hilfe der über die Qi<+>Pro-Systeme gesammelten Daten aus den Prozessen wird die Grundlage geschaffen, die gewonnenen Daten durch künstliche Intelligenz auszuwerten. Dies ermöglicht eine vorausschauende Simulation von Anlagen und die Optimierung aller erforderlichen Prozesse. So lässt sich durch die Auswertung der mit den Qi<+>Pro-Systemen aufgenommenen Daten nachträglich analysieren, welche Ergebnisse bei der Änderung bestimmter Prozess- parameter entstanden sind, um Schlussfolgerungen für künftige Verbesserungen ziehen zu können.