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Die Automobilindustrie rechnet für die nächsten Jahrzehnte mit explosionsartigem Wachstum bei der Umstellung von Verbrenner- auf Elektroantriebe. Schlüssel hierfür ist die Weiterentwicklung der Akkumulatoren. Dafür benötigen die Hersteller Anlagen, auf denen Beschichtungsvarianten und Verarbeitungstechnologien unter produktionsnahen Bedingungen getestet und schließlich in Serie gefertigt werden können. Mathis mit Sitz in Oberhasli/Schweiz entwickelt und realisiert solche Anlagen.
Prinzipiell ist ein Lithium-Ionen-Akku aus Zellen aufgebaut, die jeweils aus Anode und Kathode mit dazwischenliegender Separatorfolie bestehen. Die Separatorfolie ist für die Lithiumionen des Elektrolyten durchlässig und ermöglicht so den Ladungstransport. Die Beschichtungen werden in einer oder auch mehreren Schichten gleichzeitig oder nacheinander als pastöse Masse aufgebracht. Sie enthalten teils hochgradig gesundheitsschädliche Lösungsmittel, die aufwendige Trocknungs- und Reinigungsverfahren der Abluft erfordern.
Das Aufbringen der Schichten erfolgt mit unterschiedlichen Verfahren wie Schlitzdüsen oder Rakel in Dicken zwischen 10 und 350 µm. Um rationell produzieren zu können, werden auf industrieller Ebene oft möglichst breite Bänder verarbeitet, auf denen dann separate Streifen aufgebracht werden. Manchmal werden die Streifen auch unterbrochen ausgeführt, sodass separate „Patches“ entstehen. Und je nach Anlage wird die Beschichtung zunächst nur auf einer Seite oder gleichzeitig auf der Ober- und Unterseite aufgebracht. Bei einseitig arbeitenden Anlagen wird das Band dann in einem zweiten Durchgang auf der Gegenseite beschichtet. Für die Fertigung der eigentlichen Akkumulatoren werden die fertigen Bänder in passgerechte Stück unterteilt, wobei es keinen Versatz zwischen Ober- und Unterseite geben darf.
„Einer der Knackpunkte bei der Herstellung solcher Beschichtungsanlagen ist deshalb die sichere Einhaltung enger Positionstoleranzen zwischen den Schichten auf der Ober- und Unterseite der Folien“, erklärt Clemens Disch, Sales & Marketing-Manager bei Mathis. Referenz ist jeweils die Bandkante in Laufrichtung rechts. Mit Bezug dazu muss die Beschichtung einen definierten Abstand mit einer Positionstoleranz von ± 0,2 mm einhalten. Die in der Vergangenheit von Mathis eingesetzten CCD-Kamerasysteme waren allerdings nicht zuverlässig. Die aktuelle Breite von 760 mm erforderte bereits den Einsatz mehrerer Kameras nebeneinander. Stattdessen fiel die Wahl auf einen Contact Image Sensor (CIS). Er ist 800 mm breit und besteht aus knapp 19 000 linienförmig angeordneten, monochromen Fotozellen mit Festfokus-Optik. Die einzelnen Fotozellen haben einen Abstand von 0,042 mm. Ebenfalls integriert sind zwei Reihen von Leuchtdioden, jeweils vor beziehungsweise hinter der Fotozellen-Reihe. Der CIS-Sensor verfügt über eine hohe Scangeschwindigkeit: Das mit bis zu 10 m/min durchlaufende Band wird mit einer Abtastrate von fast 4 MHz erfasst.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl des Sensors ist die Fähigkeit, schwierigste Kontrastverhältnisse von metallisch glänzend und spiegelnd bis zu mattschwarz absorbierend bewältigen zu können. Deshalb war bei Mathis eine zusätzliche Ausstattung mit einem schräg angeordneten Lichtbalken erforderlich. Pro Anlage kommen zwei derartige Systeme zum Einsatz, je eines für Oberseite beziehungsweise Unterseite des Bands. Hierbei vermisst der obere Sensor sowohl die Bandkantenlage als auch die Breite der Beschichtung(en), während der untere Sensor lediglich die Bandposition überwacht.
Schweizer Support für
Hightech-Sensor aus China
„Ein geeigneter Sensor findet sich im Produktprogramm eines chinesischen Herstellers“, sagt Nico Brand, im Technischen Engineering bei Mathis tätig. Entscheidende Voraussetzung für die Wahl war – zusätzlich zur Erfüllung der erforderlichen Hardware-Eigenschaften – die umfassende Engineering-Unterstützung durch Compar, die Schweizer Vertretung des Anbieters. Compar ist Systemintegrator für Machine Vision und Robotik und hat hierfür eine Software-Plattform mit der Bezeichnung Visionexpert entwickelt. Visionexpert ist ein sehr flexibel einsetzbares Tool für die Lösung unterschiedlichster Aufgabenstellungen im Bereich Bilderfassung und optischer Fehlererkennung. Dank einfacher Handhabung und zahlreicher Schnittstellen eignet es sich bestens für die rationelle Entwicklung kundenspezifischer Lösungen.
Nach der Kontaktaufnahme mit Compar gab Mathis schon bald eine erste Bestellung auf. Daran schloss sich eine mehrmonatige Entwicklungszusammenarbeit an, die zur beiderseitigen Zufriedenheit verlief. Compar stellte die CIS-Sensoren fertig auf die Aufgabenstellung ein, sodass später keine Kalibrierung mehr erforderlich war. Darüber hinaus wurde die Software für die optimale Einstellung der Beleuchtung, die Bildauswertung und die Umsetzung in Steuersignale für die Korrektur der Bandposition auf den Walzen realisiert.
Eine erste Bestellung über eine mit CIS-Sensor bestückte Pilot-Beschichtungsanlage konnte Mathis im Januar 2023 einholen. Die Freigabe beim Kunden fand nach erfolgreich bestandenem Factory Acceptance Test (FAT) im Dezember 2023 statt. Der CIS-Sensor funktioniert seit dem ersten Einbau problemlos. Inzwischen wird bei Mathis eine zweite Linie mit dieser Sensorik bestückt, und vier weitere Projekte sind in der Pipeline.
Beleuchtung mit zusätzlichem Leuchtbalken in Schräganordnung
„Compar verfügt über jahrzehntelange Erfahrung bei der Entwicklung kameragestützter Systeme zur Automatisierung und Qualitätskontrolle und erwies sich als kompetenter und reaktionsschneller Partner“, sagt Disch. Das CIS-System verblieb nach der Lieferung zunächst für zwei Monate bei Compar, um dort die optimale Einstellung für unterschiedliche Folien sowie Beschichtungsvarianten herauszuarbeiten. Dies betraf insbesondere auch die Beleuchtung, für die ein zusätzlicher Leuchtbalken in Schräganordnung installiert wurde. Anschließend wurde das System auf der Pilotanlage montiert. Hier übernahm die Softwareabteilung von Mathis die Integration der von der CIS-Steuerung kommenden Signale in die SPS der Bandanlage. Auch nach Einbau des Systems in die Bandanlage seien die Compar-Mitarbeiter bei Bedarf oft in weniger als einer Stunde vor Ort gewesen, so Disch. Gute Erfahrungen habe man auch mit dem Online-Support sowie der Zusammenarbeit per Telefon gemacht.
Klaus Vollrath
Journalist
im Auftrag von
Compar
www.compar.ch
