gesponsertEinsatzbeispiel Zellproduktion Sensoren für die Batteriefertigung

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SICK AG

Im komplexen Fertigungsprozess von Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme werden an vielen Stationen Sensoren benötigt. Sie geben Signale zur Steuerung der Prozesse, sichern Montageplätze ab und übernehmen die integrierte Qualitätssicherung. Bei Sick kann der Anlagenhersteller oder -betreiber alle Sensoren aus einer Hand beziehen. Das bietet klare Vorteile – für den Prozess, für die Sicherheit, die Qualität und auch für die Produktivität der Batterieproduktion.

Zukunftsmarkt Batteriefertigung

In den kommenden Jahren wird in allen relevanten Märkten ein starker Anstieg von Produktion und Absatz von Elektrofahrzeugen erwartet. Laut Prognosen werden im Jahr 2030 rund 80% der Neufahrzeuge mit einem Elektroantrieb ausgestattet sein. Das bedeutet einen Jahresbedarf von Batterien für rund 60 Millionen Fahrzeuge. Dafür werden neben den schon jetzt vorhandenen viele weitere „Gigafactories“ gebraucht.

Im Jahr 2035 wird in der EU der Verkauf von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor komplett enden. In China, dem größten Automarkt, sollen dann alle Fahrzeuge durch „new energy“ angetrieben werden. Das heißt: Die Zahl der benötigten Batterien wird über 2030 hinaus weiter steigen. Darüber hinaus bilden Batteriesysteme für stationäre Energiespeichersysteme die Grundlage, um im Rahmen des Energiewandels die Abkehr von fossilen Ressourcen zu bewältigen. Dieser Markt wird ebenfalls stark wachsen.

Ein komplexer Prozess

Die Batteriefertigung ist äußerst komplex: Der Prozess von der Elektrode über die Zelle und weiter über das Modul zum vollständigen Batterie-Pack erfordert vielfältige Einzelschritte, und bei jedem Schritt müssen hohe Qualitätsanforderungen sichergestellt sein. Bei den benötigten Mengen ist ein hoher Automationsgrad zwingend erforderlich. Entsprechend hoch muss auch der Output der Gigafactories sein – zumal der wirtschaftliche Druck hoch ist: Die Kunden in der Automobilindustrie gehen von stetig sinkenden „Targetpreisen“ pro kWh aus.

Höchste Qualität ohne Stillstand

Aus diesen Gründen sind die Betreiber der Gigafactories nicht nur bestrebt, sondern darauf angewiesen, dass die Produktion stillstandsfrei läuft. Ausschuss muss ebenso vermieden, d.h. sofort erkannt und ausgeschleust werden. Deshalb benötigen die einzelnen Prozessschritte eine integrierte Qualitätskontrolle. Last but not least müssen die Standards und Normen der Maschinensicherheit berücksichtigt werden, die am Standort der Batteriefabrik gelten. Dabei sollte die Sicherheitstechnik nicht die Produktivität beeinträchtigen. Im Gegenteil: Intelligente, exakt auf den Prozess zugeschnittene Sicherheitstechnik schafft sichere Produktivität.

Ziel: Komplexität reduzieren

Zu den zentralen Zielen der Maschinenhersteller und Turnkey-Anbieter gehört es, ihren Kunden Anlagen mit stabilen Produktionsprozessen zu bieten. In der konstruktiven Umsetzung heißt das: Prozesse kontrollieren, Komplexität reduzieren. Das wird – auf der Sensorebene – dadurch erreicht, dass hochwertige Sensorik aus einer Hand zum Einsatz kommt.

Komplettanbieter für Sensorik – zum Beispiel bei der Zellfertigung

Für viele Aufgaben der Batteriefertigung stehen jeweils verschiedene Sensortechnologien zur Auswahl – zum Beispiel bei der Zellfertigung. Hier werden die wesentlichen Komponenten der Zelle (Elektroden- und Separatorfolien) mit hoher Geschwindigkeit als Rollenware verarbeitet. Welche Aufgaben Sensoren von Sick dabei übernehmen, wird im Folgenden an neun kurzen Anwendungsbeispielen gezeigt.

Neun Anwendungsbeispiele für Sick-Sensorlösungen in der Batteriezellproduktion

Für die Zugangskontrolle an den schnell laufenden Wickeleinheiten bieten sich Sicherheits-Lichtvorhänge deTec 4mit Sicherheitssteuerung Flexi Compact an. Zugänge für Logistikmitarbeiter oder fahrerlose Transportsysteme ermöglichen das Zuführen neuer Folienrollen und müssen abgesichert werden.

Viele eingehauste Maschinen werden durch Schutztüren zugänglich gemacht - flexLock Sicherheitszuhaltungen, ebenfalls in Kombination mit Flexi Compact Safety Controllern übernehmen die Überwachung dieser Schutztüren.

Die Dickenmessung der Elektrodenbeschichtung an mehreren Stationen – zum Beispiel nach dem Kalandrieren – erfordert höchste Messfrequenzen (bis 80 kHz) mit einer Genauigkeit bis herab zu wenigen Mikrometern. Hier kommen Displacement-Messsensoren OD5000 zum Einsatz.

Bei der prozessintegrierten Qualitätskontrolle von Elektrodenableitern kann der 2D-Vision-Sensor InspectorP61x seine Vorteile unter Beweis stellen: Präzise Erfassung und integrierte Beleuchtung auf minimalem Bauraum ermöglichen präzise Abstandsmessungen. Die Erweiterung um Deep Learning Tools direkt auf der Kamera löst umfangreiche Bildverar-beitungsaufgaben zur Qualitätskontrolle.

Der Displacement-Messsensor OD2000 misst beim Abwickeln der Rollen deren Höhe und gibt das Signal für einen Rollenwechsel (Restfolienkontrolle) – bei Messbereichen bis 1,20 m und mit einer Wiederholgenauigkeit bis 0,1 µm.

Eine integrierte Riss- und Locherkennung der schnell laufenden Folien ist unverzichtbar. Diese Aufgabe übernimmt das messende Automatisierungs-Lichtgitter MLG-2, um die Weiterverarbeitung qualitativ hochwertiger Folienbahnen sicherzustellen. Aber auch um Unterbrechungen des Prozesses zu verhindern.

Für die Bahnkantenregelung der Elektroden- und Separatorfolien eignen sich Array-Sensoren der Familie AS30 sowie, wenn die Bahnkanten mehrerer Folien gleichzeitig detektiert werden sollen, der MLG2 WebChecker.

Um Markierungen am Folienende oder fehlerhafte Beschichtungen zu erkennen, kommen zur Detektion des Splicebands u.a. zum Einsatz: der Farbsensor CSS mit großem Messabstand (bis 500 mm) und der Kontrastsensor KTS Prime mit Twin Eye-Technologie für beste Kontrasterkennung auch bei flatterndem Material.

Erfordern Rolle-zu-Rolle-Prozesse eine präzise Positions- oder Geschwindigkeitsmessung wird der Laser-Oberflächenbewegungssensor Speetec 1D verwendet. Das kontaktlose Messprinzip schützt empfindliche Oberflächen des Elektrodenmaterials.

Fazit: One-stop Shopping von Sensorlösungen nicht nur für die Zellfertigung

Sick deckt somit die kompletten und sehr vielfältigen Sensorik-Anforderungen in der Batteriezellfertigung ab. Das gilt ebenso für die vorgelagerte Elektrodenproduktion und die Weiterverarbeitung der Zellen zu Modulen und Batterie-Packs.

Kompetenz und Erfahrung bei jedem Einzelschritt

Mit weltweit mehr als 11.000 Mitarbeitern verfügt Sick nicht nur über die entsprechenden Sensorlösungen, sondern auch weltweit über Sick-Expert en mit umfassendem Applikations-Know-how in der Batteriefertigung. Maschinen- und Anlagenbauer sowie Endanwender erfahren so Unterstützung bei der Auswahl unterschiedlicher Sensortechnologien.

Dies gilt nicht nur, aber insbesondere auch für Bildverarbeitungs- und Sicherheitsapplikationen. Mit dem weltweit größten Netz an zertifizierten Sicherheitsexperten ist Sick in allen Industrieregionen vertreten und bringt nicht nur Expertise mit ein, sondern auch detaillierte Kenntnisse zu lokalen Normen und Richtlinien und internationalen Weitblick.

Fazit: Produktivität, Qualität und Maschinensicherheit zusammen denken

Die Sensorlösungen von Sick für die Zellfertigung decken die Aufgabenfelder Produktivität/ Anlagensteuerung (z.B. Bahnkantenerfassung, Restfolienkontrolle), Qualität (Riss- und Locherkennung, Elektroden-Abstandsmessung) und Maschinensicherheit (Zutrittskontrolle, Absicherung von Gefahrenbereichen) ab.

Ihren Mehrwert erzielen Sensoren von Sick nicht nur auf der Sensor- oder Maschinenebene. Ihre Integration in die Gesamtsteuerung (z.B. über Ethernet, IO-Link etc.) sowie in übergeordnete MES- und ERP-Systeme ermöglicht Transparenz und Datenverfügbarkeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Darüber hinaus generieren Track-and-trace-Lösungen von Sick Daten und Informationen, die in der vernetzten Prozesskette ein lückenloses Detektieren, Identifizieren und Rückverfolgen des Produkts und Materials ermöglichen. Im Einklang mit der so geschaffenen Traceability werden Sensor- und Maschinendaten zur Voraussetzung für eine datenbasierte Optimierung von Qualität und Effizienz. So schaffen Sensorsysteme von SICK eine wichtige Voraussetzung für die hoch produktive und intelligente Batteriefertigung der Zukunft.

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