Beschädigte Schneidwerkzeuge können die Qualität von Batterieelektroden beeinträchtigen und im schlimmsten Fall Sicherheitsrisiken verursachen. Die Marposs GmbH hat eine sensorbasierte Lösung entwickelt, die Werkzeugschäden während des laufenden Schneidprozesses in Echtzeit erfasst. Das System ist nach Unternehmensangaben bereits bei einem deutschen Batteriezellhersteller in der Produktion im Einsatz.
Beim Schneiden von Batterieelektroden kommt es auf hohe Präzision an. Sowohl beim Längsschneiden der beschichteten Bahnen (Slitting) als auch beim Ausschneiden der Ableiterfahnen (Notching) können selbst kleine Beschädigungen der Schneidwerkzeuge die Qualität der Elektrodenkanten beeinträchtigen. Verschlissene oder stumpfe Messer können Grate, lose Partikel oder eine Delamination verursachen, bei der sich die Aktivmaterialschicht vom metallischen Trägermaterial löst. Im ungünstigsten Fall können solche Defekte zu internen Kurzschlüssen und thermischen Zwischenfällen in der fertigen Zelle führen.
Andreas Leichsenring von der Marposs GmbH erklärt, bei Einsatz der Schneidwerkzeuge über viele Kilometer Schnittlänge seien Verschleiß, leichte Beschädigungen und auch Ausbrüche unvermeidlich.
Werkzeugzustand kontinuierlich überwachen
Bislang werden Schneidwerkzeuge in der Elektrodenfertigung häufig nach festen Intervallen gewechselt oder durch manuelle Stichproben unter dem Mikroskop kontrolliert. Ein beschädigtes Messer kann dadurch bis zur nächsten Kontrolle unentdeckt bleiben und fehlerhafte Elektroden produzieren.
Marposs setzt mit einer optischen Echtzeit-Sensorik direkt am Schneidprozess an. Die Sensoren werden im Bereich der Schneide – typischerweise im Halter oder Antrieb des Messers – installiert. Nach Angaben des Unternehmens erkennt das System Ausbrüche an den Schneidkanten ab einer Größe von zehn Mikrometern zuverlässig. Um prozessbedingte Fehlalarme zu reduzieren, berücksichtigt die Auswertung unterschiedliche Bahngeschwindigkeiten und Messerdrehzahlen durch ein Mapping. Wird ein mit dem Kunden festgelegter Grenzwert überschritten, kann das System nach Unternehmensangaben die Anlage innerhalb weniger Millisekunden stoppen oder eine Warnmeldung ausgeben.
Praxiseinsatz bei einem deutschen Zellhersteller
Die Lösung ist nach Angaben von Marposs serienreif und bereits in der Anoden- und Kathodenfertigung eines deutschen Batteriezellherstellers im Einsatz. Dort wurde sie in bestehende Linien integriert. Für die Nachrüstung wurden die Messerhalterungen geringfügig angepasst. Die kompakte, U-förmige Bauform der Sensoren soll die Integration in bestehende Anlagen erleichtern.
Wie Michael Unterste von Marposs erläutert, wurden die zunächst in Testläufen gesammelten Daten verschiedener Werkzeuge analysiert und mit Ergebnissen manueller sowie optisch-mikroskopischer Untersuchungen verglichen. Auf dieser Grundlage wurde die Datenauswertung an den konkreten Anwendungsfall angepasst.
Nach Angaben von Marposs ist außerdem eine Anbindung an bestehende Manufacturing Execution Systems (MES) möglich. Damit lassen sich die Überwachungsdaten in die Produktionssteuerung und Qualitätssicherung einbeziehen.
Wirtschaftlicher Nutzen und Einsatz im Anlagenhochlauf
Die zustandsabhängige Überwachung soll Werkzeugwechsel stärker am tatsächlichen Zustand der Schneidkanten ausrichten. So lässt sich vermeiden, dass Messer pauschal zu früh ausgetauscht oder trotz Beschädigungen weiterverwendet werden. Marposs berichtet aus der praktischen Anwendung von weniger Ausschuss und einem geringeren personellen Aufwand für manuelle Sichtprüfungen. Zellhersteller können die erfassten Daten außerdem nutzen, um die Standzeiten verschiedener Messer zu vergleichen und Rückschlüsse auf die Qualität der Werkzeuglieferanten zu ziehen.
Ein weiteres Einsatzszenario sieht Marposs im Anlagenhochlauf: Werden die Sensoren bereits während der Erprobung beim Maschinenbauer genutzt, können die Messdaten bei der Auswahl geeigneter Schneidwerkzeuge und Schnittparameter helfen. Nach Einschätzung von Michael Unterste lässt sich damit bereits vor der Übergabe der Maschine eine Grundlage für einen sicheren Hochlauf der Fertigung schaffen.
