ON-THE-FLY-LASERSCHNEIDEN IN DER BATTERIEHERSTELLUNG

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• AUF EINEN BLICK 
• AUF DER SUCHE NACH INNOVATIVEN SCHNEIDTECHNOLOGIEN FÜR DIE BATTERIEHERSTELLUNG
• LASERSCHNEIDEN ON-THE-FLY FÜR DIE KONTINUIERLICHE BEARBEITUNG KOMPLEXER GEOMETRIEN
  Anforderungsanalyse entscheidend bei der Prozessauslegung
  Prozessoptimierung auf Basis echter Feedbacksignale
  Encodersignale unterstützen bei ungenauer Materialzuführung
• LASERSCHNEIDEN BIETET ZUKUNFTSFÄHIGE PRODUKTIONSLÖSUNG FÜR BATTERIE-ELEKTRODEN

Das präzise Schneiden von Batteriefolie ist ein zentraler Prozessschritt in der Batterieherstellung, da die Schnittqualität direkt die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer der fertigen Batteriezellen beeinflusst. Um die Bedarfe nach immer leichteren und leistungsfähigen Batterien zu decken, kommen verstärkt mo- derne Produktionstechnologien wie das Laserschneiden ins Spiel. Insbesondere der Laser bietet eine Rei- he von Vorteilen gegenüber konventionellen Schneidtechnologien: Der Laserstrahl ermöglicht sehr feine und saubere Schnitte und der Prozess ist verschleißfrei, da keine mechanischen Werkzeuge eingesetzt werden, die sich abnutzen könnten. Das Laserschneiden ist durch den Einsatz moderner Laser-Ablenkeinheiten zudem flexibel. Unterschiedliche Schneidgeometrien können per Mausklick ausgewählt werden, ohne dass Stanzen oder Schneidwerkzeuge ausgetauscht werden müssen. Auch Anpassungen an ein neues Aktivmaterial, das andere Prozess-Parameter (z. B. Laserleistung) benötigt, sind leicht umsetzbar. Zudem lässt sich das Laserschneiden effizient in einen kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess integrieren.

Trotz dieser Vielseitigkeit scheuen viele Batteriehersteller die Umstellung auf diese Technologie. Denn die Auslegung einer Laserschneidanwendung, insbesondere in kontinuierlichen Produktionsprozessen, kann durchaus komplex werden. Doch mit guter Planung und erfahrenen Umsetzungspartner ist es möglich, auch anspruchsvolle Laserschneidprojekte umzusetzen. So können sich Batteriehersteller für zukünftige Entwicklungen vorbereiten und den steigenden Bedarf an Batterien, insbesondere für Elektrofahrzeuge und Energiespeicherlösungen, auch in Zukunft decken.

Kontinuierliche Schneidprozesse bieten Vorteile, um den Durchsatz von Produktionsanlagen zu erhöhen. Doch nicht alle Schneidmethoden sind für die Bearbeitung dünner Folien geeignet. Bei Stanzverfahren muss das Band in einem Stopp-&-Go-Modus betrieben werden, was mit hohen Beschleunigungen und damit auch Vibrationen in der Maschine verbunden ist. Andere mechanische Schneidverfahren haben Herausforderungen bei komplexeren Geometrien. Mechanische Verfahren unterliegen zudem Verschleißerscheinungen, was zu Qualitätsschwankungen in der Produktion führen kann und einen regelmäßigen Austausch der teuren Schneidwerkzeuge erfordert.

Sowohl für das mechanische Schneiden als auch für das Laserschneiden, stellt der Zuschnitt der Kathode eine besondere Herausforderung dar. Grund dafür sind die eingesetzten Aktivmaterialien, die härter sind und zur Bildung von Graten neigen. Das kann zu Sicherheitsrisiken führen. Wichtig ist bei diesem Prozess- schritt, dass die Separatorfolie, welche Anode und Kathode in der späteren Batterie elektrisch trennt, nicht beschädigt werden darf. Da diese Polymer-Folien nur ca. 10-20 µm dick, und somit leicht zu beschädigen sind, ist die Schnittkantenqualität von essenzieller Bedeutung. Besonders beim Schnitt der Kathode kommt es also auf eine genaue Einstellung der Prozessparameter an, und auf eine präzise und reproduzierbare Ab-lenkung und Fokussierung des Laserstrahls.

Eine weitere Herausforderung für Maschinenbauer sind laterale Ungenauigkeiten in der Folienzuführung. Diese können durch Vibrationen oder eine ungleichmäßige Abwicklung der Folienrolle verursacht werden. Solche Ungenauigkeiten führen dazu, dass die geschnittenen Bauteile nicht die gewünschte Form und Größe haben, was zu teurem Ausschuss in der Produktion führen würde.

Verstärkt werden diese Herausforderungen durch den Trend zu größeren Batterie-Formaten. Das gilt sowohl für zylindrische Zellen (z. B. 46xx-Format) als auch für prismatische Hardcase-Zellen (z. B. Blade- Batteries) und Pouch-Zellen. Die Zellformate ändern sich aufgrund neuer Marktanforderungen häufig, was flexible Produktionslösungen erfordert.

Das Laserschneiden stellt eine innovative Lösung dar, um die Herausforderungen der kontinuierlichen Bearbeitung komplexer Geometrien zu meistern. Moderne vorfokussierende Strahlablenkeinheiten, wie beispielsweise der RAYLASE AXIALSCAN FIBER RD-50, sind speziell für große Bearbeitungsfelder entwickelt. Sie bieten eine optimale Kombination aus Präzision und Geschwindigkeit, die für anspruchsvolle On-the-Fly-Schneidanwendungen erforderlich ist. Diese Systeme können eingesetzt werden, um lange Trennschnitte oder den Zuschnitt ganzer Elektroden-Blätter zu ermöglichen. Eine große freie Apertur ermöglicht kleine Spotdurchmesser von etwa 50 µm, was zu sauberen Schnitten mit einer minimalen Wärmeeinflusszone führt. Die leichten Spiegel in den Strahlablenkeinheiten ermöglichen hohe Scangeschwindigkeiten und dynamische Schneidbewegungen und damit einen höheren Durchsatz in der Produktion. Das abgedichtete Gehäuse des Scan-Systems mit definierten Schnittstellen und eine Fertigung der Ablenkeinheit im Reinraum sorgen für hohe Leistungsverträglichkeit und Zuverlässigkeit. Dies alles gewährleistet eine hohe Prozessstabilität und gleichbleibende Qualität der geschnittenen Bauteile. 

Neben langen Trennschnitten und dem Zuschnitt von Elektrodenblättern werden Scan-Systeme auch für das „Notching“ verwendet. Bei dieser speziellen Art des Laserschneidens, wird das Elektrodenband nicht ganz durchtrennt, sondern es werden in die kontinuierlich durchlaufende Folie bestimmte Geometrien eingebracht. Das können z. B. kleine Fähnchen sein oder die sog. Folien-Tabs, die später den elektrischen Strom aus der Elektrode abführen. Für diese Notching-Prozesse eignen sich f-Theta-basierte 2-Achs-Scanner mit Aperturen von 15 mm bis 30 mm, je nach individueller Anforderung. Durch die kleineren Spiegel werden hochdynamische Schnitte ermöglicht, was der Prozessgeschwindigkeit zugutekommt. 

Aufgrund der Komplexität und der potenziellen Kosten für die Auslegung eines On-The-Fly Prozesses ist es wichtig, die vorgegebenen Randbedingungen genau zu verstehen. Abhängig davon können dann die anderen Parameter variiert werden. 

Grundsätzlich lassen sich bei der Auslegung drei Ausgangssituationen unterscheiden:

• 1. Der Kunde hat klare Anforderungen an die Bandgeschwindigkeit und möchte den Laserprozess darauf auslegen: In diesem Fall geben die Produktivitätsziele die Bandgeschwindigkeit vor. Es muss ermittelt werden, ob eine rollierende Bearbeitung durch mehrere Scanner nötig ist und wie viele Scan-Systeme benötigt werden, um die gewünschte Produktionsrate zu erreichen.
• 2. Der Kunde kennt die Schneidgeschwindigkeit aus Vorversuchen im Laserlabor und möchte die daraus resultierende Bandgeschwindigkeit ermitteln: Hierbei wird die maximale Bandgeschwindigkeit ermittelt, die bei gegebener Qualität möglich ist
• 3. Der Kunde möchte einen bestehenden On-the-Fly-Prozess optimieren: Durch eine genaue Analyse kann der Prozess besser auf die Geschwindigkeits- oder Qualitätsanforderungen angepasst werden.

Hieraus ergeben sich Prioritäten bei der Auslegung. So sind bei bestehenden Prozessen die Anzahl und das Scan-System meist gesetzt und es geht mehr darum, vorhandene Reserven zu mobilisieren. Eine Neuauslegung bietet hier durch die Wahl der optimalen Ablenkeinheit noch zusätzliche Freiheitsgrade. 

Unabhängig davon, ob es sich um ein neues System oder eine Optimierung handelt, müssen bei der Auslegung die verschiedenen Anforderungen der Wichtigkeit nach bewertet werden. Denn viele der Parameter sind miteinander verknüpft und können nicht unabhängig voneinander geändert werden. Beispielsweise führt ein großes Arbeitsfeld typischerweise auch zu einem längeren Arbeitsabstand und größeren Spotdurchmessern. Hier gilt es zwischen den verschiedenen Parametern den richtigen Kompromiss zu finden

Auch wenn durch theoretische Abschätzungen schon eine grobe Auslegung möglich wird, ist ohne echte Daten von der Strahlablenkeinheit eine präzise Bewertung und Optimierung der Prozessparameter schwierig. Nur mit genauen Daten zur Spiegelbewegung, zu Rücksprungzeiten bei der Kompensation der Bahnbewegung, zur Lagetreue des z-Fokus während des Schneidprozesses und zur thermischen Belastung der Scanner, kann die Produktivität und gleichzeitig die Schneidqualität zuverlässig gewährleistet werden. 

Der PROCESS-DATA-ANALYZER von RAYLASE bietet hier eine innovative Lösung, indem er die Prozessauslegung auf Basis echter Feedbacksignale ermöglicht. Die Visualisierung der Spiegelbewegung und Lasersignale erlaubt eine genaue Prüfung und Auslegung des Prozesses. Dies hilft, die maximale Geschwindigkeit bei geforderter Qualität zu finden und Qualitätsverluste durch Defokussierung oder unzureichende Konturtreue zu vermeiden.

Neben den realen Positionswerten und Statussignalen des Scan-Systems sind Echtzeit-Informationen über den Rolle-zu-Rolle-Prozess von großer Bedeutung. So können beispielsweise Variationen in der Bandgeschwindigkeit zu Ungenauigkeiten im Schneidergebnis führen. In einem On-the-fly Prozess wird daher kontinuierlich die Bandposition mittels eines Encoders vermessen und die Ansteuerwerte automatisch angepasst. So resultiert immer die gewünschte Schneid-Geometrie, selbst wenn sich die Folie unter dem Scanner mit schwankender Geschwindigkeit bewegt. 

Neben der Bewegung der Folie durch das Ab- und Aufrollen kann die Zuführung aber auch lateral in der Position der Folie und in der Höhe schwanken. Da die Batteriefolien genaue Maße einhalten müssen, können Ungenauigkeiten in der Zuführung die Qualität der finalen Batterie beeinträchtigen. Um das zu verhindern, kann ein zusätzlicher Kantendetektor die Korrektur der lateralen Lage gewährleisten. Über einen zweiten Encodereingang, wie beispielsweise auf der RAYLASE SP-ICE-3-Karte vorhanden, wird die Position der Folie eingelesen und das Scanmuster in Echtzeit entsprechend verschoben. So wird kann auch bei ungenauer Zuführung eine hohe Schneidgenauigkeit sichergestellt werden. 

Auch Ungenauigkeiten in der z-Lage können mittels Encoder korrigiert werden, beispielsweise durch das Einlesen von Echtzeitwerten zur Bandspannung. Alternativ kann die Folie auch an Stellen mit definierter z-Lage geschnitten werden, wie etwa auf einer Führung oder auch auf einer Umlenkrolle. Eventuelle Krümmungen im Bearbeitungsfeld können hierfür über das Korrekturfile kompensiert werden, das in der RAYLASE-Software MULTIPOINT EDITOR individuell für die jeweilige Applikation erstellt werden kann. Für Schneidgeometrien, bei denen ein quasi-endloser Schnitt erfolgen soll, bietet RAYLASE ein neues Feature namens Endless-Marking-on-the-Fly. Hierbei wird die Folie ohne Anschalten und Ausschalten des Lasers geschnitten und die daraus resultierenden Leistungsschwankungen vermieden. So können Stitching-Punkte in der Schnittkante vermieden werden, denn an diesen Stellen ist das Risiko für Defekte erhöht. Für das Endless-MOTF wird die erforderliche Bahn der Scanner-Spiegel für eine bestimmte Bandgeschwindigkeit vorausberechnet. Trotzdem kann auf Schwankungen der Bandgeschwindigkeit reagiert werden. Dieses Feature ist besonders für das Laser-Notching interessant und verspricht hier deutliche Qualitätssteigerungen

Auch wenn das Laser-Notching und -Schneiden für viele noch als innovative Lösung gilt, stellen immer mehr Batteriehersteller in ihrer Fertigung auf den Laser um. Die Gründe dafür sind vielfältig. Laserschneiden ermöglicht eine verschleißfreie Bearbeitung, und verhindert, dass ein Qualitätsverlust durch stumpfe Messer entsteht. Auch lassen sich neue Tab-Designs einfach und flexibel umsetzen, ohne dass mechanische Werkzeuge angepasst werden müssen. 

Der berührungslose Prozess des Laserschneidens ist besonders vorteilhaft bei der Verarbeitung von Materialien, die schwer handzuhaben sind. So bietet das Laserschneiden beispielsweise für die zukünftige Produktion von Lithium-Festkörper-Batterien mit ihrer weichen und klebrigen folienartigen Lithium-Metallschicht eine effektive Lösung. Der Laser wird in Zukunft also immer wichtiger! 

Anwendungsoptimierte Strahlablenkeinheiten wie die AXIALSCAN FIBER Serie von RAYLASE und deren etablierte Marking-on-the-Fly-Technologie spielen dabei eine entscheidende Rolle, indem sie innovative Lösungen für die bestehenden Herausforderungen bieten und die Effizienz und Präzision in der Batteriefolienproduktion weiter vorantreiben. 

Das Laserschneiden ist aus der Batterieproduktion schon heute nicht mehr wegzudenken und wird zukünftig eine noch größere Verbreitung erfahren, da es eine präzise, flexible und effiziente Fertigung ermöglicht und so den steigenden Anforderungen der Industrie gerecht wird.