Sensorik Hochgenaue Dickenmessungen in der Batterieproduktion

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Micro-Epsilon (Swiss) AG

Die Herausforderung bei der Herstellung moderner Batterien besteht darin, ihre Energiedichte zu maximieren, ihre Herstellkosten zu senken und ihre Nutzungsdauer zu verlängern. Um dies zu erreichen, können Sensoren von Micro-Epsilon im gesamten Fertigungsprozess eingesetzt werden.

Die Inline-Prüfung in der Batterieproduktion trägt massgeblich zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, Ressourcenschonung und Qualitätssicherung bei. Dafür können in jeder Produktionsstufe – von der Elektrodenfertigung über die Assemblierung bis hin zur Formierung – hochgenaue Sensoren von Micro-Epsilon eingesetzt werden. Das umfangreiche und vielfältige Produktportfolio des Unternehmens bietet für jede Beschichtungsart und alle Messobjekte das geeignete Messverfahren mit dem passenden Sensor. Eine zentrale Messaufgabe ist die präzise Dickenmessung von Batteriefolie und der Folien­beschichtung. Dies ist sowohl mit elektromagnetischen als auch mit optischen Sensoren möglich.

Band- und Beschichtungsdickenmessung mit elektromagnetischen Sensoren

Elektromagnetische Sensoren von Micro-Epsi­lon bieten zahlreiche Vorteile bei der Dicken­messung. Dank integrierter Temperaturkompensation liefern sie stabile Mess­werte im Submikrometerbereich und finden auch Anwendung in Trockenprozessen. Für die Dickenmessung von Bandmaterialien und Beschichtungen werden oftmals kapazitive Sensoren genutzt. Diese werden gegenüberliegend angebracht und messen von beiden Seiten auf elektrisch leitfähige Werkstoffe. Die linearen Abstandssignale beider Sensoren werden im Controller zu einem Dickenwert verrechnet. Im Vergleich zu optischen Verfahren ist der Messfleck grösser. Dies ermöglicht die Mittelung von Strukturen und Unregelmässigkeiten. Darüber hinaus können kapazitive Sensoren auch bei hohen Temperaturen und schwankenden Temperaturen eingesetzt werden, was andere Messverfahren oft vor grosse Herausforderungen stellt. Durch Verwendung der CapaNCDT-​Mehrkanal-Controller können die Werte mehrerer Sensorpaare mit nur einem Controller verarbeitet werden.

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Kapazitive Sensoren werden häufig für Anwendungen eingesetzt, bei denen höchste Präzision und Stabilität gefordert sind bei einer Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich. Dank ihrer innovativen Technologie sind kapazitive Sensoren von Micro-Epsilon in der Lage auch in rauen Industrieumgebungen hochgenaue Messwerte zu erfassen. Sie liefern auch bei hohen Temperaturen Mess­werte bis den Sub-Mikrometer-Bereich und eignen sich auch für staubige Industrie­umgebungen. Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon sind ausserdem langzeitstabil, weil keine Komponenten verbaut sind, die die Lebensdauer einschränken. Eine weitere Stärke ist die Kombinationsvielfalt. Jeder kapazi­tive Sensor kann ohne Kalibrierung mit einem beliebigen Controller von Micro-​Epsilon verwendet werden, was insbesondere beim Tausch von Komponenten vorteilhaft ist.

Beschichtungsdickenmessung mit optischen Sensoren

Wenn hochgenaue Messergebnisse gefragt sind, sind optische Messverfahren unverzichtbar. Konfokal-chromatische Sensoren und die hochpräzisen Interferometer von Micro-Epsilon arbeiten auf Basis der Weisslicht-Technologie. Eingesetzt werden beide Messsysteme zur Abstands- und Dickenmessung in Bereichen, in denen höchste Genauigkeit und Signalstabilität gefordert werden.

Die optischen Sensoren werden gegenüberliegend vom Material befestigt und führen präzise Messungen von beschichteten und unbeschichteten Folien durch. Sie arbeiten mit hoher Auflösung und sind sowohl in Nassbeschichtungs- als auch in Trockenprozessen einsetzbar. Auf Grund der kleinen Lichtpunktdurchmesser können auch kleinste Details auf der Folienoberfläche zuverlässig erfasst werden. Neben den konfokal-chromatischen Sensoren eignen sich vor allem auch Weisslichtinterferometer ideal zur hochpräzisen Dickenmessung.

Turnkey-System zur Dickenmessung der Elektrodenbeschichtung

Zur Inline-Dickenmessung von Bandmaterialien werden ThicknessGauge-Sensorsysteme eingesetzt. Verfügbar sind mehrere Modelle mit verschiedenen Sensortypen, Messbereichen und Messbreiten für die Dickenmessung von verschiedenen Materialien und Oberflächen. Das System nutzt zwei optische bzw. elektromagnetische Abstandssensoren, um die Banddicke zu erfassen. Die Sensoren sind bereits exakt aufeinander ausgerichtet und kalibriert. Darüber hinaus sorgt eine werkseitige Dickenkalibrierung für eine hohe Präzision. Mittels Linearachse können die ThicknessGauge-Sensorsysteme verfahren werden, um die Dicke über die gesamte Bandbreite hinweg zu erfassen.

In Umgebungen mit Schmutz und hohen Temperaturen wird das System ThicknessGauge O.EC eingesetzt. Es nutzt den innovativen CombiSensor. Dieser beinhaltet einen Wirbelstromsensor, der auf die Führungswalze misst, und einen kapazitiven Sensor zur Abstandsmessung auf die Material­oberfläche. Aus der Signaldifferenz ergibt sich der genaue Dickenwert der Elektrodenbeschichtung.

Nassschicht-Dickenmessung des Anoden- und Kathodenmaterials

Im Beschichtungsprozess wird die Folie entweder kontinuierlich oder intermittierend und auf einer Breite von bis zu 1000 mm beschichtet. Wichtig sind dabei die Folien und die Beschichtungsdicke, die Oberflächenqualität, die Reinheit und ein Vermeiden von Gaseinschlüssen. Um die Nassschicht-Dicke des Anoden- und Kathodenmaterials zu überwachen, wird eine Genauigkeit von <±1 μm bei 150 bis 500 µm Objektdicke gefordert.

Für diese Messaufgabe empfiehlt sich der Einsatz des ThicknessGauge, eines Inline-​Messsystems bestehend aus einer Linear­einheit mit elektromechanischem Antrieb, zwei konfokal-chromatischen Abstandssensoren, einer automatischen Kalibriereinheit und einem Multitouch-IPC. Die konfokalen Sensoren messen im Differenzverfahren von zwei Seiten auf die Materialoberfläche. Mittels einer automatischen Kalibrierung auf ein Referenztarget wird der Abstand der beiden Sensoren zueinander in regelmässigen Abständen ermittelt. Im Messbetrieb erfassen die beiden Sensoren jeweils den Abstand zur Materialoberfläche. Aus dem bekannten Abstand der beiden Sensoren sowie den Abstandswerten wird die Materialdicke errechnet. Dank der hohen Auflösung der konfokalen Sensoren können geringste Abweichungen zuverlässig detektiert werden.

Die hohe Präzision von ±0,25 µm und die Messrate von bis zu 5 kHz ermöglichen eine vollautomatisierte Dickenmessung. Wird der ThicknessGauge über die Linearachse über das Band bewegt, kann das komplette Querprofil ermittelt werden.

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