Um das Ziel eines Verfahrensentwurfs in der spezifischen Problemstellung zu erreichen, müssen sowohl technische als auch prozessuale Anforderungen erfüllt werden (HUBER et al. 2016b). Diese werden im Folgenden hergeleitet.
4.2.1 Technische Anforderungen
Technische Anforderungen an das zerstörungsfreie Prüfverfahren im vorliegen-den Anwendungsfall lassen sich aus vorliegen-den Eigenschaften des Prüfobjekts (vgl.
Abschnitt 3.3), den technischen Rahmenbedingungen des Einsatzes der ZfP (vgl.
Abschnitt 2.3.3) sowie des zu ermittelnden Qualitätskennwertes, d. h. der Be-schaffenheit der Ungänzen, die die Funktion einer LIZ beeinträchtigen können (vgl. Abschnitt 2.2.2), ableiten.
prozessuale Anforderungen
Auswahl der ZfP-Klasse
Entwurf des zerstörungsfreien Prüfverfahrens technische Anforderungen
Signalaufnahme Signalverarbeitung Klassifikation
Batterieseparatoren bestehen typischerweise aus den Polyolefinen PE oder PP sowie Materialkombinationen. Ihre Fähigkeit der Aufnahme und Speicherung der Elektrolytflüssigkeit in der Zelle erfordert eine hohe Porosität im Bereich von 40 % des Volumens (vgl. Abschnitte 2.3.1 und 3.3). In Bezug auf eine ZfP erge-ben sich hieraus folgende Anforderungen:
Die verwendeten Materialien PE und PP sind nicht leitend. Eine Eignung des Prüfverfahrens für nicht leitende Materialien ist daher zwingend er-forderlich. Allgemeiner gesprochen, muss das betrachtete Verfahren eine Darstellung des Prüfmerkmals, d. h. der Ungänzen, ermöglichen.
Die Porosität der Materialien erzeugt in Bezug auf den Rohmaterialzu-stand eine äußerst druckempfindliche Folie. Eine Prüfung des Materials kann daher nur zerstörungsfrei erfolgen, wenn das Verfahren berührungs-frei ist.
Die Herstellung von mikroporösen Batterieseparatoren erfolgt durch einen Extru-sionsprozess nach dem Trocken- oder dem Nassverfahren (vgl. Abschnitt 2.3.3).
Aufgrund der Forderung nach einer Absicherung der Separatorqualität vor der Einschleusung in die Zellherstellung soll die ZfP in der vorliegenden Arbeit im Herstellungsprozess betrachtet werden. Der Einsatz der ZfP soll vor dem Aufwi-ckeln des in Längsrichtung geschnittenen Materials als Warenausgangskontrolle erfolgen. Die Materialbreite entspricht daher der Breite der Zelle, in der der Bat-terieseparator eingesetzt werden soll. Nach DIN SPEC 91252 (2011) beträgt diese für prismatische Zellen zwischen 85 und 115 mm. Hieraus folgen für ein zerstörungsfreies Prüfverfahren folgende Anforderungen:
Die Transportgeschwindigkeit der Materialbahnen beträgt 100 minm . Dies ist die maßgebliche Geschwindigkeit, die die Dauer der physikalischen Prozesse der Anregung sowie die Datenaufnahme und die Datenverarbei-tung limitiert.
Die Forderung einer 100-Prozent-Prüfung (vgl. Abschnitt 3.3) zur Detek-tion der Ungänzen erfordert eine Prüfung im Prozesstakt und damit die In-tegrierbarkeit in den Prozess. Darin inbegriffen sind die Anregung, die Datenaufnahme und die Datenverarbeitung.
Die Implementierung der ZfP in den Produktionsprozess von Batteriese-paratoren muss wirtschaftlich möglich sein. Daher müssen insbesondere die Investitionskosten der Verfahrensklasse berücksichtigt werden.
Eine Optikauswahl bei Messsystemen, wie bspw. nach VDA 5 (2011), basiert auf der Toleranz des zu messenden Merkmals. Das Ziel der ZfP im vorliegenden
Anwendungsfall ist jedoch die Detektion von Ungänzen (vgl. Abschnitte 2.4 und 3.3), die das Gebrauchsverhalten und damit die Funktion von LIZ stören. Eine Ungänze ist das Resultat eines Störeinflusses oder von statistischen Effekten während des Herstellungsprozesses. Es handelt sich daher nicht um eine Zielgrö-ße eines Produktionsprozesses für die eine Aussage über eine Toleranz getroffen werden kann. Eine Bestimmung der notwendigen Ortsauflösung kann daher nur aus Sicht der Prüftechnik erfolgen.
Batterieseparatoren werden nicht im Reinraum produziert und sind daher Umge-bungseinflüssen, wie Staub, ausgesetzt. Eine Detektion von Ungänzen unter 100 µm ist aufgrund dieser Störsignale nicht umsetzbar (SEEN & HISSMANN
2010). Ausgehend von dieser Grenze muss gemäß dem Shannon-Nyquist-Abtasttheorem die Ortsauflösung maximal halb so hoch sein (vgl. Formel 3–5).
Da für eine Klassifikation Objektmerkmale zu berechnen sind, muss diese Min-destanforderung verschärft werden. Die Forderung nach einer niedrigen Ortsauf-lösung ist jedoch konkurrierend mit der Forderung nach einem großen Sichtfeld (vgl. Formel 3–6). Es wird daher eine fünffache örtliche Abtastfrequenz gewählt.
Dies bedeutet, dass eine Ungänze der minimalen Größe 100 µm im Signal mit 25 Datenpunkten beschrieben wird. Hieraus folgt für das Prüfverfahren eine maxi-male Auflösung von 20 µm.
4.2.2 Prozessuale Anforderungen
Darüber hinaus sind hinsichtlich des Entwurfs des zerstörungsfreien Prüfverfah-rens prozessuale Anforderungen einzuhalten. Diese ergeben sich aus der Signal-verarbeitung und insbesondere der Klassifikation der detektierten Ungänzen (vgl.
Abschnitte 2.5, 2.6 und 3.2.5).
Das Klassifikationsverfahren muss eine hohe Genauigkeit aufweisen. Dies ist die wesentliche Voraussetzung, um den Qualitätseinfluss von Ungän-zen erfassen zu können.
Die hohe Geschwindigkeit der laufenden Materialbahn im Herstellungs-prozess stellt hohe Anforderungen an die Signalverarbeitung und die Ge-schwindigkeit des Klassifikationsalgorithmus in der Klassifikationsphase.
Es existiert bislang zwar keine systematische Auflistung von Ungänzen in Batterieseparatoren, jedoch hat SMITH (2007) gezeigt, dass bei Extrusions-folien allgemein mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Klassen von Un-gänzen zu rechnen ist (vgl. Abschnitt 3.4). Der Klassifikationsalgorithmus muss daher eine Mehrklassen-Fähigkeit aufweisen.
Da die Klassifikation eine Aufgabe des überwachten Lernens ist, muss hinsichtlich der Funktionsmodellierung eine Zuordnung eines Objekts zu einer der vorgegebenen Klassen durch Expertenwissen erfolgen. Um die-ses integrierte Prozesswissen nach der Funktionsmodellierung für eine Plausibilitätskontrolle nutzbar zu machen, ist eine Menschenlesbarkeit des Klassifikationsmodells erforderlich.
Die Komplexität sowie die Menge der generierten Daten bei der Prüfung von Batterieseparatoren erfordert eine hohe Robustheit des Klassifikati-onsalgorithmus gegenüber fehlenden oder falschen Objektmerkmalen.
Die Ermittlung der Parameter stellt einen wesentlichen Nachteil heutiger zerstörungsfreier Prüfansätze für Batterieseparatoren dar (vgl. Abschnitt 3.3). Ein optimales Verfahren soll im Sinne einer hohen Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit geringe manuelle Aufwände zur Parameterbestim-mung erzeugen.
Die hohe Variantenvielfalt von Batterieseparatoren in Bezug auf die Mate-rialeigenschaften (vgl. Abschnitt 3.3) erfordert ein Verfahren mit einer hohen Flexibilität der Verarbeitungs- und Klassifikationsparameter. In Bezug auf die Klassifikation ist hierzu insbesondere eine geringe Trai-ningszeit des Algorithmus erforderlich.
Viele heutige Bildverarbeitungssysteme nutzen regelbasierte oder Paral-lelepiped-Klassifikatoren aufgrund deren hohen Verarbeitungsgeschwin-digkeiten (vgl. Abschnitt 3.2.5). Klassifikationsalgorithmen, welche eine Induktion von Wenn-Dann-Regeln ermöglichen, schaffen hierzu Kompa-tibilität und sind daher vorteilhaft.