Dreidimensionale Vermessung der Schweißpunkte an den Batteriezellen mit 3D-Lasertriangulation. Gut zu erkennen: Der hervorstehende Batteriepol in der Mitte der Zelle.

Dreidimensionale Vermessung der Schweißpunkte an den Batteriezellen mit 3D-Lasertriangulation. Gut zu erkennen: Der hervorstehende Batteriepol in der Mitte der Zelle. Manz

Mit dem Batteriemodul steht und fällt das ganze Elektroauto: Sie ist die Energiequelle, die den Motor antreibt. Erstaunlich konventionell ist sein Aufbau, bestehend aus einem Verbund zahlreicher einzelner Batteriezellen. Letztere unterscheidet man aufgrund ihrer jeweiligen Form in prismatische, zylindrische und sogenannte Pouch-Zellen. Die Zellen werden in Reihenoder Parallelschaltung verbunden, um die gewünschte Ausgangsspannung in Kombination mit dem erforderlichen Ausgangsstrom zu erzielen. Dazu werden dünne Blechstreifen auf die Batteriepole geschweißt, um die gewünschte Verschaltung herzustellen. Das Anschweißen der Blechverbindungen geschieht blitzschnell hochautomatisiert, pro Minute werden hunderte Schweißpunkte gesetzt. Weil die Lage und die Höhe der Batteriezellen aufgrund von Fertigungstoleranzen variiert, muss der Laser, der die Leiterbleche auf die Batteriepole schweißt, für jede Zelle genau positioniert werden.

Allerdings hatte das bisher seine Tücken, denn die Höhe der Batteriezellen unterliegt Fertigungstoleranzen und auch deren Lage im Rahmen des Batteriepacks variiert. Zudem hat der Schweißlaser, der die Bleche und Batteriepole kurz aufschmilzt und verbindet, ein kleines Prozessfenster. Ist der Laser zu nah an der Zelle, besteht die Gefahr, dass er zu tief einschweißt und den Pol an der Batterie beschädigt. Ist der Abstand zu groß, erhitzt der Laser nur das Verbindungsblech, nicht aber den Anschluss an der Batterie. Unter Umständen kommt keine richtige Verbindung zustande und der Kontakt löst sich später wieder.

Exakt messen mit 3D-Lasertriangulation

Abhilfe schafft hier eine Laserschweißanlage von Manz, die mittels 3D-Lasertriangulation Lage und Höhe der Zellen in einem Batteriemodul in allen drei Raumdimensionen exakt bestimmen kann. Dadurch ist die Lage des Schweißpunkts räumlich genau bekannt und das Prozessfenster des Lasers kann entsprechend verschoben werden. Dazu fährt die Linse des Lasers – angetrieben von einer Voice-Coil ähnlich der Schwingspule in einem Lautsprecher – nach oben oder nach unten. Der Fokuspunkt verschiebt sich entsprechend. Um den Sensor mit dem Schweißlaser zu kalibrieren, ist am Scanner des Schweißlasers noch eine Kamera montiert, die eine zweidimensionale Schwarzweißaufnahme macht, die mit der Triangulationsmessung zur Deckung gebracht wird.

Verschweißen von Batteriezellen mit einer Laserprozessanlage: Das Anschweißen der Blechverbindungen geschieht blitzschnell hochautomatisiert, pro Minute werden hunderte Schweißpunkte gesetzt.

Verschweißen von Batteriezellen mit einer Laserprozessanlage: Das Anschweißen der Blechverbindungen geschieht blitzschnell hochautomatisiert, pro Minute werden hunderte Schweißpunkte gesetzt. Manz

Diese dreidimensionale Vermessen erfolgt mit der 3D-Lasertriangulation: Der Sensor wirft feine Linien aus blauem Licht auf die Oberseite der Zellen, wo die Punkte zum Anschweißen der Verbindungsbleche liegen. Eine im Winkel angeordnete Kamera misst das reflektierte Licht. Eine im Winkel angeordnete Kamera misst das reflektierte Licht. Über den bekannten Triangulationswinkel ergeben sich daraus Höhenlinien der Objekte. Höhenunterschiede zwischen den Batteriezellen sowie Fertigungstoleranzen jeder einzelnen Zelle erscheinen im Bild als Stufen in der Linie des reflektierten Lichts. Fährt man den Sensorkopf in mehreren Bahnen über das komplette Batteriepack, ergibt sich aus den einzelnen Linienaufnahmen ein dreidimensionales Höhenbild des kompletten Batteriepacks.

Flottes Arbeitstempo

Eine Software von Manz erzeugt aus allen Linien, die beim Überfahren des Batteriepacks aufgezeichnet werden, ein höhencodiertes Bild. Markante Punkte sind darin farbig hervorgehoben. Die Präzision beträgt an allen Punkten weniger als 20 µm. Dadurch ist das Verfahren ist präzise genug, um das Prozessfenster des Lasers anpassen zu können. Eine größere Herausforderung ist jedoch das Arbeitstempo. Die Kombination aus Lasertriangulationsmessung und Schweißlaser schafft derzeit mehr als 500 Schweißungen pro Minute. Kunden wünschen sich hier künftig ein noch höheres Tempo. Eine Idee, um dies zu erreichen ist, statt nur eines Sensors zwei oder mehrere Sensoren einzusetzen, die jeweils nur einen Teil des Batteriepacks scannen.

Dass diese Strategie, zwei Sensoren einzusetzen, erfolgversprechend ist, zeigen die vier Lasertriangulations-Messstationen, die das Reutlinger Unternehmen an einen Hersteller von Notebooks geliefert hat. Dort bestimmen sie die Tiefe der Tasche, in die das Touchpad exakt eingepasst wird. Der nahtlose und taktil nicht fühlbare Anschluss des Touchpads ist ein wichtiges Kriterium für das Qualitätsempfinden und den Arbeitskomfort der Nutzer. Diese Messstationen besitzen jeweils zwei Sensoren, sie erreichen damit ein annähernd doppeltes Arbeitstempo. Die Herausforderung für einen ausreichend hohen Durchsatz ist dort die enorme Datenmenge. Die beiden Sensoren erzeugen pro Messung 200 MByte, die innerhalb von 5 s verarbeitet werden müssen.

Kompetenz in der Messtechnik

Manz besitzt langjährige Erfahrung mit der 3D-Lasertriangulation. Das Unternehmen hat die Methode bereits früher genutzt, um die Ebenheit von Solarzellen zu bestimmen. Für einen Notebook-Hersteller hat Manz außerdem mehrere Anlagen gebaut, um die Tiefe der Tasche zu bestimmen, in die das Touchpad „nahtlos“ eingesetzt wird.