Das Bildverarbeitungssystem VMT ShapeFill 3D wurde entwickelt, um den Einsatz von Gapfillern bei der Herstellung von Elektro- und Hybridfahrzeugbatterien zu optimieren. Als Sensoren dienen zwei hochauflösende 3D-Scanner, die von einer Robotersteuerung positioniert sowie zur Bildaufnahme gebracht werden. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt in der VMT-Softwareplattform MSS, die unter anderem zahlreiche Konfigurations-, Auswertungs-, Analyse- und Konnektivitätsoptionen bietet. Zusätzlich in die Komplettlösung integriert, ist ein Tool zur Fremdkörpererkennung, so dass die 3D-Messdaten sowohl zur Optimierung als auch zur Sicherheit und Verfügbarkeit der Montageprozesse beitragen.

Beim Wärmemanagement von Elektro- und Hybridfahrzeugbatteriesystemen spielen sogenannte Gapfiller eine wichtige Rolle, da von ihnen zu großen Teilen die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der elektromobilen Energieversorgung abhängt. Als thermisch leitende, vernetzende und in der Regel pastöse Medien ermöglichen sie ein Batteriewärmemanagement, das die beim Fahrzeugbetrieb – Beschleunigen, Rekuperieren und Laden – in der Batterie entstehende Wärme großflächig ableitet und umgekehrt bei niedrigen Außentemperaturen entsprechende Wärmeenergie überträgt, um die Batteriekapazität aufrecht zu erhalten. Gapfiller sind als Material nicht ganz preiswert und bieten dementsprechendes Potenzial für Kosteneinsparungen, wenn sich die Prozesse, für die sie verwendet werden, optimieren lassen. Möglich macht dies unter anderem das bei mehreren europäischen Fahrzeugherstellern im Einsatz befindliche Bildverarbeitungssystem VMT ShapeFill 3D.

3D-Vermessung für eine präzise Dosierung 

Je nach Antriebstyp – hybrid oder vollelektrisch – sowie der Kapazität und der Fahrzeuggröße bestehen elektromobile Batteriesysteme aus unterschiedlich großen und unterschiedlich vielen Akkumodulen, die in Batteriefächer eingesetzt und in Fahrzeugen montiert werden. Dabei werden die Batteriefächer so integriert, dass eine Zu- und Abfuhr von Wärme gewährleistet ist. Im Inneren jedes Batteriefaches ist es daher erforderlich, dass jedes einzelne Akkumodul eine möglichst vollflächige, thermisch leitfähige Verbindung zum Batteriefach aufweist, um ein möglichst effizientes Batteriewärmemanagement zu gewährleisten. Diese Aufgabe erfüllen die Gapfiller, die beim Einsetzen der Akkus in das Batteriefach dosiert werden und neben der thermischen Verbindung auch für einen Ausgleich von üblichen Maßtoleranzen insbesondere der Grundebene des Batteriefachs sorgen. 

Die Toleranzen sind in der Regel weder konstruktiv vorhersagbar noch immer im Montageprozess stabil, so dass oftmals mehr Gapfiller verwendet wird als eigentlich zur thermischen Kontaktierung von Akku-Unterseiten und Batteriefachboden erforderlich wäre. Mit VMT ShapeFill 3D ist es möglich, die Grundebene des Batteriefaches in allen drei Dimensionen zu vermessen, eine dynamische Referenzebene für die Gesamtfläche der Akku-Unterseiten abzuleiten und aus der Volumendifferenz von Ist- zu Referenzebene die Menge des zu dosierenden Gapfillers präzise zu ermitteln.

3D-Lasersensoren: hohe Abbildungsleistung trotz dunkler Oberflächen

Das Bildverarbeitungssystem VMT ShapeFill 3D ist so ausgelegt, dass es mit unterschiedlichen 3D-Sensoren verschiedener Hersteller kombiniert werden kann. Die Messwerte werden in Form präziser 3D-Punktwolken mit bis zu drei Millionen 3D-Bildpunkten ausgegeben, wobei in der Gapfiller-Applikation die Vorteile neben der 100 µm genauen Tiefenauslösung auch in der Schnelligkeit der Bildaufnahmen liegen. Dabei besitzen die 3D-Lasersensoren ausreichend Lichtleistung, um auch von schwarzen Fachböden genügend auswertbare Remission zurückzuerhalten und so eine hohe Abbildungsgüte und Messgenauigkeit sicherzustellen. Je nach den räumlichen Verhältnissen in der Applikation und der Größe der zu vermessenden Batteriefächer können ein oder mehrere Scanner in einer Roboteranlage integriert und wahlweise über PoE- oder eine 24V-Stromversorgung betrieben werden. Die Szenen in der Gapfiller-Applikation werden im Stillstand aufgenommen: Der Roboter positioniert die Sensoren über dem jeweiligen Batteriefach so, dass sie von oben ohne Abschattungen auf die Grundebene des Batteriefachs messen können.

Schnelle Amortisation über Einsparung von Gapfiller

Über Ethernet gelangen die hochauflösenden Messdaten vom Sensor zu einem dezentralen IPC auf dem die frei konfigurierbare Auswertesoftware VMT MSS (MultiSensorSystem) arbeitet. Dort werden die Daten weiterverarbeitet, ausgewertet und Statistik geführt. Hierbei wird aus den gemessenen Distanzwerten zunächst ein 3D-Modell des Batteriefachbodens ermittelt. Innerhalb von wenigen Millisekunden errechnet die Software einen virtuellen, ebenen Fachboden, wie er eine vollflächige Kontaktierung aller Akkumodul-Unterseiten gewährleisten würde. Schließlich ermittelt MSS aus beiden Ebenen das lokale Differenzvolumen und damit das Mindestdosiervolumen für den Gapfiller, das in der Regel immer deutlich unter der zuvor eingefüllten Menge liegt. Je nach Applikation zeigen interne Kalkulationen ein Einsparungspotenzial pro Fahrzeug von etwa drei bis vier Euro auf. Ein Hersteller beispielsweise, der im Jahr 60.000 E-Fahrzeuge fertigt, spart somit etwa um die 200.000 Euro pro Jahr ein. Die Kosten für VMT ShapeFill 3D liegen darunter, so dass sich die Investition bereits innerhalb weniger Monate amortisiert. 

Hinzu kommt, dass ein weiteres, integriertes Tool, VMT ClearSpace 3D, das eine Fremdkörpererkennung im Batteriefach ermöglicht. Bereits kleinste Objektgeometrien, beispielsweise Werkzeuge oder eine lose Schraube, werden detektiert und gemeldet. Dadurch können Havarien bei der Batteriemontage vermieden werden. Insgesamt zeichnet sich die Bildverarbeitungslösung VMT ShapeFill 3D durch ihr schlüsselfertiges Systemkonzept bestehend aus Sensorik, MSS-Software, IPC, Versorgungs- und Signalverkabelung sowie eine Vielzahl an möglichen Standardschnittstellen zu verschiedenen Anlagensteuerungen und Robotern aus.
Über die dargestellte Mess- und Berechnungsfunktion hinaus bietet VMT MSS – quasi als Plattform, Werkzeugkasten und Labor – weitere Funktionen, die dazu beitragen, die Effizienz und Verfügbarkeit moderner Maschinenprozesse zu sichern und zu steigern. So können beispielsweise Batteriefachtypen individuell eingelernt und Trendanalysen über das Toleranzverhalten erstellt werden, um die Bauteilmaßhaltigkeit weiter zu verbessern. 

Der Endanwender kann das Erscheinungsbild der Visualisierungsoberfläche und derer Inhalte individuell gestalten. Dabei können aktuelle 3D-Bilder oder Messdaten skaliert, verschoben oder ein- und ausgeblendet werden. Die Software bietet zudem Unterstützung für statistische Analysen und die vorausschauende Wartung, beispielsweise durch 

• die Auswertung und Überwachung aller im Betrieb anfallenden Messwerte, 
• die Hilfsroutinen bei der Fehlersuche, 
• die Ableitung von Kennzahlen, 
• die Bereitstellung von Ergebnistabellen, 
• die Ermittlung von Trends oder 
• die Generierung automatischer Warnmeldungen – einschließlich E-Mail-Versand. 

Hinsichtlich der Konnektivität unterstützt VMT MSS alle etablierten Industrieschnittstellen und Cloud-Anbindungen und ermöglicht so auch bei Bedarf das Remote-Handling mehrerer Systeme von einer zentralen Stelle aus. Die Software eignet sich für eine 3D-Big-Data-Verarbeitung sowie für Deep-Learning-Anwendungen.

Autor
Matthias Fiedler, Produktmanager