Unter Strom

Die Revolution der NEVs
NEVs erobern die Straße. Vor allem Autos, aber auch Zweiräder, LKW, Bau- und Landmaschinen sowie andere Spezialfahrzeuge nutzen elektrische Antriebe. Allein in Europa werden bis 2030 schätzungsweise 185 Millionen E-Motoren für die Fertigung von NEVs benötigt. Vor allem Batterien spielen bei dieser Revolution der Mobilität eine Schlüsselrolle. Sie bestimmen nicht nur über Leistung und Reichweite, sondern übernehmen auch eine strukturgebende und damit sicherheitsrelevante Aufgabe für das gesamte Fahrzeug. 

Herausforderungen in der Qualitätssicherung
Die rasante Entwicklung der E-Mobilität stellt die Industrie mit veränderten Technologien und Herausforderungen in den Fertigungsprozessen vor neue Aufgaben. Am Beispiel der Batterie wird dies deutlich: Um den hohen Anfor­derungen an Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit bei der Massenproduktion von Batterien gerecht zu werden, ist vom ersten Schritt an höchste Präzision gefragt. Das beginnt bei der Materialauswahl, geht über die Konstruk­tion in der Entwicklungsabteilung sowie über die Kontrolle kritischer Schritte während der Herstellung der Elektroden und endet schließlich in der Fertigung von Zellen, Modulen und Batteriewannen innerhalb engster Toleranzen.

ZEISS eMobility Solutions
ZEISS unterstützt OEMs und Zulieferer weltweit mit mehr als 50 spezifischen Lösungen für die Qualitätssicherung im Bereich E-Mobilität. Das breite Spektrum an bildgebenden, analytischen und messtechnischen Instrumenten wird fortwährend um neue Lösungen ergänzt, etwa im Bereich Inline und Software.

Dank globaler Präsenz und einem spezialisierten Team in allen Regionen hat ZEISS eine starke Partnerschaft mit OEMs und Zulieferern in 22 Ländern aufgebaut und ihnen geholfen, die Produktqualität zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Neben der Unterstützung vor Ort an der Produktionslinie hat ZEISS außerdem mehr als 50 Seminare und Workshops abgehalten, um technologisches Wissen mit den NEV-Partnern zu teilen.

Hairpins und Statoren:
Messtechnik mit hohem Effizienzgewinn

Bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen verwenden Her­steller ein Biegeverfahren für die stromführenden Leiter, sogenannte Hairpins. Diese bestehen aus einem rechteckigen Kupferdraht und sind mit einer Isolierschicht überzogen. Die Überprüfung der Hairpin-Geometrie und der Hairpin-Positionen vor der Statormontage ist notwendig, da sich die Drähte sehr leicht verformen und das Schweißen schwierig ist. 

Für die Qualitätskontrolle der Hairpins eignen sich optische Messverfahren, da die Drähte äußerst berührungsempfindlich sind. Zudem können Geometrie und Position der Hairpins nur anhand von vollflächigen 3D-Daten überprüft werden. ZEISS arbeitet seit vielen Jahren mit Herstellern von E-Motoren und Hairpin-Statoren zusammen. Mit der neuen ZEISS ScanBox for eMotors ist ein kompaktes 3D-Mess­system entwickelt worden, mit dem die stark reflektierende Hairpin-Isolierschicht sehr schnell und verlässlich gemessen werden kann. Auf Knopfdruck erfasst die optische 3D-Mess­maschine flächen­haft verteilte 3D-Koordinaten einzelner Hairpins sowie des gesamten Stators und liefert in Sekunden­schnelle Qualitätsinformationen in hoher Auflösung. Die Messergebnisse werden in der Software übersichtlich und leicht verständlich dargestellt. 

Qualitätssicherung beim Blechpaket

Statorblechpakete sind Baugruppen aus dünnen Einzelblechen. Mit Toleranzen im Mikrometerbereich haben Ebenheit und Gratfreiheit der Bleche sowie Form und Position der Nuten einen großen Einfluss auf die Leistung des E-Motors. 

ZEISS PRISMO, das Multisensor-Koordinatenmessgerät, bündelt taktile und optische Sensoren in einem System und ist dank seiner Genauigkeit von 0,5 + L/500 μm (abhängig von Baugröße und Modell) ideal für Messauf­gaben am Blechpaket geeignet. Paletten mit Bauteilen können ohne Bedienereingriff und mit hoher Geschwindigkeit automatisiert geprüft werden.

Qualitätssicherung bei Batterien: Ganzheitlicher Prozess für alle Entwicklungs- und Produktionsschritte

Batterien sind für die Leistung, Reichweite und Lebens­­dauer eines Elektroautos von entscheidender Bedeutung. Der Qualitätssicherungsprozess für Batterien ist komplex. Batterieeigenschaften werden auf den Ebenen von Material, Elektrode, Zelle, Modul und Batteriewanne mithilfe verschiedener Messtechno­logien überprüft.

In der Batterieentwicklung ermöglicht industrielle Mikro­­s­kopie die Analyse der Mikrostruktur möglicher Verunrei­nigungen. Das Rasterelektronenmikroskop (REM) ZEISS Crossbeam beispielsweise kann mithilfe eines Ionenstrahls relevante Untersuchungsbereiche unterhalb der Oberfläche freilegen und im Nanometerbereich analysieren.

In der Batterieproduktion wiederum ist die zerstörungs­freie Analyse der Batteriezellen und -module notwendig. Hier kommen verstärkt Röntgensysteme und Computertomografen zum Einsatz.

Die Batteriewanne – auch Batterieträger genannt – ist eine entscheidende Komponente für die Stabilität der Karosserie. Der Produktionsprozess von Batteriewannen umfasst meh­rere Qualitätsbereiche, die durchlaufen werden müssen, um Sicherheitsanforderungen zu erfüllen und die Qualität des Fahrzeugs zu gewährleisten.

Industrielle Mikroskopielösungen: Bildgebung und Materialanalyse von Lithium‑Ionen‑Batterien
Komplexe Materialsysteme, wie sie in Batterien oder Solarzellen vorkommen, sind auf das Zusammenwirken vieler verschiedener Materialien angewiesen, um effektiv zu funktionieren. Mithilfe der energiedispersiven Spektroskopie (EDS) kann die elementare Zusammensetzung der untersuchten Objekte im Mikroskop bestätigt werden. Dieses Bild bestätigt hohe Fluorreste auf der Kathodenseite, wie sie in einer gealterten Probe zu erwarten sind. 

Fluor befindet sich in Elektrolyten und bildet eine feste Elektrolytgrenzschicht (SEI), die mit der Alterung zunimmt. Da sich die Rezeptur dieses Materialcocktails ändert und der Zustand der Materialverteilung nach der Zellalterung Rückschlüsse zulässt, bedarf es wiederkehrender Materialanalysen. Eine stetig wachsende SEI-Schicht ist z. B. ein Indiz für die Elektrolytalterung und liefert damit die Erklärung für einen möglichen Kapazitätsabfall.

Computertomografen in der Batterieproduktion

Um der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen mit höherer Reichweite gerecht zu werden, muss eine immer höhere Energie­dichte in den Zellen erreicht werden, ohne dass diese dabei schwerer und größer werden. Die Materialdichte nimmt demnach zu, was anspruchsvollere zerstörungs­freie Inspektionen erfordert.

Mit Computertomografen wie ZEISS VoluMax 9 titan und ZEISS METROTOM können dichte Bauteile wie Batterie­zellen und -module effektiv durchleuchtet und Leistung und Sicher­heit der Bauteile gewährleistet werden. Die Systeme gene­rieren 3D-Volumendatensätze mit sehr hoher Auflösung und erkennen so versteckte Defekte bei dichten Bauteilen, z. B. Elektrodendefekte, Fehlausrichtungen, Überhänge, Gehäuse­einschlüsse und Partikelkontaminationen.

ZEISS VoluMax 9 titan ist mit seiner kleinen Aufstellfläche äußerst kompakt und robust. Ausgerüstet mit einem 3k-Detektor kann das Gerät Bauteile mit einer Größe von bis zu 590 x 700 mm und einem Gewicht von bis zu 60 kg scannen. Die komplette Lösung besteht aus einem CT-System und der systemunabhängigen Software und kann im Labor oder direkt an der Produktionslinie platziert werden.