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Kinematische Modellierung eines kontinuierlichen z-Faltprozesses für die Batterieproduktion
Kinematische Modellierung eines kontinuierlichen z-Faltprozesses für die Batterieproduktion
Glodde, Arne
Inst. Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb
Der immer weiter steigende Bedarf an Batteriezellen wird sich zukünftig kaum durch die konventionellen Verfahren decken lassen. Selbst innovative Verfahren im Forschungsstadium können die erforderliche Anlagengeschwindigkeit von einer Sekunde pro Falte nicht erreichen. Diese Lücke aufgreifend wurde ein kontinuierliches Verfahren entwickelt, welches großformatige z-gefaltete Elektroden-Separator-Verbünde mit einer Geschwindigkeit von 0,7 Sekunden pro Falte stabil, und sogar bis rund 0,35 Sekunden pro Falte falten kann.
Die Betrachtung eines Patents zum z-Falten eines Bahnmaterials und die Analyse eines Gestaltungsentwurfs für eine Gesamtanlage bilden den Ausgangspunkt für die Konzeptentwicklung dieses Verfahrens. Es werden Anforderungen an das kontinuierliche Verfahren abgeleitet und ein kinematisches Modell erstellt. Dieses Modell erlaubt es, die Bewegungen aller Elemente in dem System abhängig des Vorschubs des Separators zu beschreiben. Das darauf aufbauende Fehlermodell ermöglicht es, die Empfindlichkeit des Modells zu berechnen und erwartete Fehler abzuleiten. Sowohl die Eignung des umlaufenden Transportsystems als auch weitere Anforderungen werden aus experimentellen Untersuchungen abgeleitet. Die Schwingungsanalyse, Messung der Positionier- und Bahngenauigkeit geben ein Gefühl dafür, welche Geschwindigkeiten mit welchen Abweichungen zu erwarten sind.
Aus dem analysierten Gestaltungsentwurf und den Versuchen werden weitere Baugruppen entwickelt, um die Faltung zu realisieren. Ein pendelndes Rollenpaar übergibt den Separator in die Faltung, sodass ein Hintergreifen durch den Greifer überhaupt ermöglicht wird. Ebenso wird ein Gestaltungsentwurf für einen zwangsaktuierten Greifer für das umlaufende Transportsystem vorgestellt. Die Entwicklung schließt die Aufhängung des Transportsystems ab.
Die prototypische Umsetzung der Bewegungsführung dieses kontinuierlichen Verfahrens wird anhand von Versuchen validiert. Diese Betrachtung erfolgt mit einem Greiferprototypen für unterschiedliche Verfahrensgeschwindigkeiten von bis zu 1000mm/s, welches rund 0,35 Sekunden pro Falte entspricht.
Im Ergebnis der Arbeit steht ein kinematisches Modell für die kontinuierliche z-Faltung in der Batterieproduktion. Dieses Modell bildet die Basis für die implementierte Bahnplanung in der SPS des Demonstrators des Projektes KontiBat. Im Weiteren bildet die Untersuchung der Fehlereinflüsse in Kombination mit einer Fehlermodellbildung eine Abschätzung der erreichbaren Prozessgenauigkeit des betrachteten Verfahrens.
The ever-increasing demand for battery cells will hardly be able to be met by conventional production methods in the future. Even innovative processes at the research stage cannot achieve the required speed of one second per fold. Through a newly developed process, this gap is addressed by a novel continuous process that can fold large-format z-folded electrode-separator composites stable at a speed of 0.7 seconds per fold, and even possibly at up to around 0.35 seconds per fold.
The analyzation of a patent for z-folding web material and the analysis of a design concept is the starting point for the concept development of this process. Requirements for the continuous process are derived, and a kinematic model is created. This model enables the description of the motion of all elements in the system depending on the infeed of the separator. The fault model based on this allows the sensitivity of the model to be calculated and expected faults to be derived. Both the suitability of the circulating transport system and further requirements are derived from experimental investigations. Vibration analysis, measurement of the positioning and path accuracy give a feeling for which speeds which deviations are to be expected.
From the analyzed design and the experiments, further assemblies are developed to realize the z-folding. A pair of oscillating rollers transfer the separator into the fold so that gripping from behind is possible at all. A design draft for an externally actuated gripper for the circulating transport system is presented. The development concludes with the suspension arrangement of the transport system.
The prototypical implementation of the motion control is validated using experiments. This is done with a gripper prototype for different process speeds of up to 1000mm/s, which corresponds to about 0.35 seconds per fold.
The result of the work is a kinematic model for continuous z-folding in battery production. This model forms the basis for the implemented path planning in the PLC of the demonstrator of the KontiBat project. Furthermore, the investigation of the error influences in combination with error modelling forms an estimation of the achievable process accuracy of the considered process.
