Prozessübergreifende Röntgeninspektionsstrategie im Batteriezellbau

Zentraler Baustein einer ökologisch und ökonomisch erfolgreichen Produktion von Batteriezellen für die Elektromobilität ist eine hohe Material‐ und Energieeffizienz. Maßgeblich für die Optimierung der Ressourcennutzung ist die Entwicklung von Fertigungsprozessen, mit denen ein möglichst geringer Ausschuss produziert wird. Dazu ist der Einsatz von Prüfprozessen entlang der Fertigungskette notwendig. Ein sehr hoher Prüfaufwand ist im Produktionsabschnitt Zellbau erforderlich, um die inneren geometrischen Merkmale der Batteriezelle mittels Röntgenstrahlung zu kontrollieren. 100%‐Messungen von sicherheitskritischen Merkmalen mit Röntgeninspektionen haben hohe Investitions‐ und Betriebskosten zur Folge. Darüber hinaus erreichen die messenden Röntgeninspektionen noch nicht die geforderten Prüfzeiten von wenigen Sekunden, da der Messprozess durch die Aufnahme vieler Röntgenbilder realisiert wird. Als Zwischenlösung wird die planare Radiographie eingesetzt, mit der durch die schnelle Aufnahme nur eines Röntgenbildes lediglich eine qualitative Prüfung durchgeführt wird und somit die Anforderungen einer Messung nicht erfüllt werden.

In den letzten Jahren ist jedoch mit der Weiterentwicklung der Röntgenkomponenten eine signifikante Verkürzung der Prüfzeiten durch schnellere Aufnahmen umgesetzt worden, wodurch der Einsatz als 100%‐Messprozess zunehmend realistischer wird. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen jedoch weitere Potenziale ausgeschöpft werden, die vor allem nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche Entscheidungskriterien berücksichtigen. In dieser Arbeit werden Lösungsansätze entwickelt und erprobt, die sich aus der anforderungsorientierten und prozessübergreifenden Abstimmung von Röntgeninspektionen und Kamerasystemen im Zellbau ergeben. Ausgehend von einer technischen und wirtschaftlichen Analyse der Fertigungsschritte und der Prüftechnik werden drei Lösungsansätze in einer prozessübergreifenden Röntgeninspektionsstrategie entwickelt sowie in einer Pilotlinie erprobt.

Erstens werden mehrere Röntgeninspektionen zusammengefasst und vor der Elektrolytbefüllung in einer Online‐Multimerkmal‐Computertomographie realisiert, sodass ein Messprozess für die Prüfmerkmale „Lage der Elektroden“, „Beschädigungsfreiheit des Elektroden‐Separator‐Verbundes“ und Maßhaltigkeit der Schweißnaht“ innerhalb von sechs Sekunden für einen definierten Prüfbereich realisiert wird. Zweitens ermöglicht eine Fusion von Daten aus einem Kamerasystem und der Computertomographie eine Reduktion der Anzahl der zu prüfenden Bereiche der Batteriezelle, wodurch eine Reduktion der gesamten Prüfzeit erzielt wird. Drittens wird eine optische Sichtprüfung entwickelt, die eine frühzeitige Detektion von Ausschuss durch eine attributive Prüfung ohne Röntgenstrahlung realisiert. Abschließend wird eine Anwendungsempfehlung der prozessübergreifenden Röntgeninspektionsstrategie für die derzeit in Planung befindliche Serienfertigung gegeben, um das Risiko der Auslieferung einer Batteriezelle mit inneren geometrischen Merkmalen außerhalb der Spezifikation auf ein Minimum zu reduzieren.