Machine Vision beschleunigt Batterieproduktion

Das Unternehmen Laserax aus Quebec, Kanada, hat mit der „Battery Welding Machine“ eine Anlage entwickelt, mit der das automatisierte, robotorbasierte Verschweißen des Stromabnehmers und der Stromschiene mit dem Batteriemodul deutlich beschleunigt wird. Damit hat das 2010 gegründete Unternehmen eine effiziente Schweißlösung für einen kritischen Produktionsschritt in der Batterieherstellung entwickelt. Batteriemodule können nun, dank der µm-genauen Roboterführung durch die integrierte Bildverarbeitungssoftware MVTec HALCON, deutlich schneller und mit weniger Ausschuss produziert werden. Die Lösung eignet sich zur Produktion von Batterien für die Automobilindustrie, Automated Guided Vehicles (AGV) in der Logistik, E-Bikes, aber auch für Elektrowerkzeuge. „Wir stehen im regelmäßigen Austausch mit unseren Kunden aus der Batteriefertigung. Dabei haben wir festgestellt, dass diese ganz konkret auf der Suche nach einer Lösung zum Verschweißen des Stromabnehmers und der Stromschiene mit dem Batteriemodul sind. Zwar gab es bereits andere Methoden zur Verbindung, diese können aber nicht die notwendige Geschwindigkeit und Qualität bieten. Daher haben wir für diesen Prozess eine eigene Anlage auf Basis des Laserschweißens entwickelt“, sagt Keven Tremblay, Product Line Manager bei Laserax.

Das Ergebnis ist die sogenannte „Battery Welding Machine“, in der vier SCARA-Roboter nacheinander die Kontakte von Batteriemodulen anklemmen und sie per Laserschweißverfahren mit sehr hoher Geschwindigkeit und geringem Ausschuss verbinden. Ermöglicht wird dieses neue Verfahren durch die ausgeklügelte Ingenieursleistung von Laserax und industrielle Bildverarbeitung (Machine Vision). Die Machine-Vision-Software MVTec HALCON ist in der Lage, die Zellen des Batteriemoduls auf den µ-Bereich genau zu lokalisieren, so dass die Roboter die Klemm- und Laserschweißarbeiten absolut präzise durchführen können.

Die Anforderungen an die Anlage: Schnell, präzise und 100-prozentig objektiv

Bei den komplexen Prozessen in der Batterieproduktion gibt es im Wesentlichen drei große Herausforderungen: Erstens, die Prozesse müssen sehr schnell vonstattengehen. Darunter darf, zweitens, die Qualität nicht leiden, unter anderem damit die Batterie die gewünschte Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit erreicht. Drittens ist die Nachverfolgbarkeit von Komponenten und Produktionsschritten von hoher Bedeutung.

Bislang wurden Stromabnehmer und Stromschiene durch etablierte Methoden mit dem Batteriemodul verbunden, etwa per Ultraschall-Bonding oder Schweißmethoden wie Punkt- oder Widerstandsschweißen. Das Laserschweißen weist im Vergleich zu den genannten Methoden zahlreiche Vorteile auf: unter anderem sehr hohe Genauigkeit auch beim Verbinden kleinster Bauteile und minimalen Verzug, da der Wärmeeintrag gering ist. „Wir wussten, dass das gesamte System, einschließlich des Laserschweißens und des schnellen, anpassungsfähigen Klemmens, als Gesamtpaket betrachtet werden musste. Für das genaue und schnelle Arbeiten setzen wir auf die Machine-Vision-Software MVTec HALCON“, erzählt Keven Tremblay.

Vier Roboter verschweißen den Stromabnehmer mit dem Modul

Zu Beginn des Workflows wird ein Modul an die Anlage angeliefert und durch eine Öffnung an der Seite in die „Battery Welding Machine“ eingeschleust. Dort befinden sich vier Roboter, die das Anklemmen der Stromschienen übernehmen, und ein auf einem Gantry montierter Laserkopf mit einem größeren Sichtfeld, der das Laserschweißen durchführt. An der Seite des Laserscankopfes sind zwei Kameras angebracht, die eine stereoskopische 3D-Sicht ermöglichen. Im ersten Schritt nehmen die beiden Kameras hochauflösende Bilder des Batteriemoduls auf einer Fläche von 400 x 400 mm von oben auf. Die Machine-Vision-Software HALCON berechnet dann durch das Zusammenfügen der Bilder der beiden Kameras die X-Y-Z-Positionen aller Zellen. Die so ermittelten Koordinaten werden an die Klemmroboter und das Lasersystem übermittelt. Die genaue Position jedes zu schweißenden Punktes auf den Batteriezellen wird gefunden und mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt. Das ist in diesem Fall gar nicht so einfach, wie Keven Tremblay erklärt: „Der Aufnahmebereich von 400 x 400 mm ist ziemlich groß. Hier die einzelnen Positionen im µm-Bereich zu bestimmen, ist technologisch äußerst anspruchsvoll.“

Die Roboter klemmen die Stromabnehmer auf die Zellen, während der Laser die geklemmten Komponenten nacheinander schweißt. Die Maschine arbeitet deshalb mit vier Robotern, um die Betriebszeit des Lasers zu maximieren. Die Überwachung der Schweißqualität erfolgt während des Schweißprozesses mit Hilfe eines eigens dafür vorgesehenen Sensors.

Laserschweißen auf Basis von Machine Vision: Mehr Energie für die Batteriefertigung

„Mittlerweile ist die ‚Battery Welding Machine‘ bei unseren Kunden im Einsatz. Die Rückmeldungen, die wir bekommen haben, waren durchweg positiv. Unsere Kunden schätzen vor allem, dass sie nun sehr viel schneller produzieren können und gleichzeitig die Qualität und Flexibilität erhalten bleiben. Damit haben wir mit unserer Lösung genau den Nagel auf den Kopf getroffen“, freut sich Keven Tremblay bei Laserax.