Automation
Einblicke in die Zellproduktion: Wie Sick Sensorlösungen den Zukunftsmarkt Batteriefertigung unterstützen
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.
In Zukunft wird in allen relevanten Märkten ein starker Anstieg von Produktion und Absatz von Elektrofahrzeugen erwartet. Laut Prognosen werden 2030 rund 80 Prozent 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. 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.
Die Zahl der benötigten Batterien wird über 2030 hinaus weiter steigen.
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 stillstandfrei 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. 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.
Im Folgenden wird an kurzen Anwendungsbeispielen gezeigt, welche Aufgaben Sensoren von Sick übernehmen – so etwa bieten sich für die Zugangskontrolle an den schnell laufenden Wickeleinheiten Sicherheits-Lichtvorhänge deTec4 mit Sicherheitssteuerung Flexi Compact an. Zugänge für Logistikmitarbeiter oder Fahrerlose Transportsysteme ermöglichen das Zuführen neuer Folienrollen und müssen abgesichert werden. Ein weiteres Besipiel: 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 Messgenauigkeit 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 Distanzmessungen. Die Erweiterung um Deep Learning Tools direkt auf der Kamera löst umfangreiche Bildverarbeitungsaufgaben 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 MLG-2 WebChecker. Um Markierungen am Folienende oder fehlerhafte Beschichtungen zu erkennen, kommen zur Detektion des Splicebands 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 zum Einsatz. 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.
Die Sicherheitszuhaltung flexLock mit RFID-Überwachung zeichnet sich durch einen stufenlosen Betätigungsradius von 180° aus. Sie bietet somit hohe Flexibilität bei der sicheren Zuhaltung von Türen und Klappen − auch bei kleinen Türradien.
Erfordern Rolle-zu-Rolle-Prozesse eine präzise Positions- oder Geschwindigkeitsmessung, wird der Laser-Oberflächenbewegungssensor Speetec 1D verwendet.
Der intelligente Sicherheitslichtvorhang deTec eignet sich ideal zur Absicherung von Gefahrstellen und Zugängen sowie zur Mensch-Material-Unterscheidung im automatisierten Materialfluss.
Produktivität, Qualität und Maschinensicherheit zusammen denken
Die Sensorlösungen für die Zellfertigung decken die Aufgabenfelder Produktivität/Anlagensteuerung (z. B. Bahnkantenerfassung, Restfolienkontrolle), Qualität (Riss- und Locherkennung, Elektrodenabstandsmessung) und Maschinensicherheit (Zutrittskontrolle, Absicherung von Gefahrbereichen) ab. Ihren Mehrwert erzielen Sensoren 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 hochproduktive und intelligente Batteriefertigung der Zukunft.
Produkte im Bericht
Sick deTec4
Der intelligente Sicherheitslichtvorhang deTec eignet sich ideal zur Absicherung von Gefahrstellen und Zugängen sowie zur Mensch-Material-Unterscheidung im automatisierten Materialfluss. Passend zu Ihrer Applikation bietet deTec skalierbare Funktionspakete für effizientere Prozesse und eine hohe Anlagenverfügbarkeit. Auf Basis moderner Technologien wie NFC und IO-Link vereinfacht deTec die Diagnose und liefert umfassende Daten zur Automatisierung nachgelagerter Prozesse. Das flexible Anschlusskonzept und einheitliche Gehäusedesign sorgen zudem für geringen Verkabelungs-, Installations- und Konfigurationsaufwand. Für anspruchsvolle Anwendungen mit hohem Hygienestandard, Explosionsgefahr oder Einsatz von Chemikalien sind spezielle Varianten verfügbar.
Sick flexLock
Die Sicherheitszuhaltung flexLock mit RFID-Überwachung zeichnet sich durch einen stufenlosen Betätigungsradius von 180° aus. Sie bietet somit hohe Flexibilität bei der sicheren Zuhaltung von Türen und Klappen ? auch bei kleinen Türradien. Dabei zeigen die gut sichtbaren LEDs aus allen Blickwinkeln durchgängig den Gerätestatus an. Der offene Zuhaltungskopf und das abgerundete Gehäuse von flexLock ermöglichen eine leichte Reinigung. Zusätzlich sorgt die hohe Versatztoleranz für eine einfache Montage und hohe Anlagenverfügbarkeit auch bei Türabsenkung. Varianten für den Personen- oder Prozessschutz eignen sich für den Einsatz in vielfältigen Applikationen bis PL e. Die optionale Fluchtentriegelung ermöglicht, die Zuhaltung aus dem Gefahrbereich heraus zu entsperren.
Sick OD5000
Als Experte für hochpräzise Messaufgaben bietet der Displacement-Messsensor OD5000 Lösungen in unterschiedlichsten Anwendungen. Mit einer Messfrequenz von bis zu 80 kHz vermisst der OD5000 auch schnelle und rotierende Messobjekte µm-genau. Der innovative Auswertealgorithmus ermöglicht stabile Messungen mit höchster Wiederholgenauigkeit auf unterschiedlichste Oberflächen. Außerdem misst der OD5000 die Dicke von transparentem Material spielerisch leicht mit nur einem Sensorkopf. Die direkt im Sensorkopf integrierte Ethernetschnittstelle sorgt für schnelle Kommunikation und damit für maximale Produktivität.
Sick OD2000
Der kompakte Displacement-Messsensor OD2000 ist eine sehr wirtschaftliche Stand-alone-Lösung für die exakte Distanzmessung. Der universell einsetzbare Sensor eignet sich für unterschiedlichste Anwendungen mit Distanzen bis zu 1.200 mm. Mittels hochgenauer Triangulation erkennt er selbst kleinste Höhenunterschiede im Mikrometerbereich. Dank Spitzenwerten hinsichtlich Linearität und Wiederholgenauigkeit sowie einer Messfrequenz von bis zu 7,5 kHz liefert der OD2000 robuste Abstandsdaten – auf praktisch jeder Oberfläche. Die Integration des Sensors gelingt dank Plug-and-play-Konzept innerhalb kurzer Zeit. Zudem ist die Konfiguration über das OLED-Display am Sensor oder via IO-Link-Schnittstelle und Software denkbar komfortabel.
Sick SPEETEC 1D
Der verschleiß- und wartungsfreie Laser-Oberflächenbewegungssensor SPEETEC 1D erfasst Bewegungen von Objektoberflächen, ohne diese zu berühren. Für die Erfassung benötigt er keine Maßverkörperung oder Skala. Die auf dem Laser-Doppler-Effekt basierende Technologie des SPEETEC 1D ermöglicht Messungen von Objektgeschwindigkeit, -länge, -bewegungsrichtung und -position auf fast jeder Oberfläche. Die berührungslose Messung des Sensors ist besonders für Anwendungen mit weichen oder empfindlichen Oberflächen ideal, da diese bei taktiler Messung beschädigt werden. Zudem eignet sich SPEETEC 1D hervorragend für Encoder-Anwendungen mit schnell und dynamisch ablaufenden Prozessen, die für Encoder nicht geeignet sind. Über eine Schnittstelle kann der Sensor überwacht und Logikfunktionen konfiguriert werden.
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