Системы контроля CCD в литий-ионных линиях: достижение нулевого уровня дефектов

Автор: Дэни Хуанг, доктор философии.

Генеральный директор и руководитель исследований и разработок, TOB New Energy

Свяжитесь с доктором Хуангом в LinkedIn

Резюме и ключевые выводы

• Нулевой дефект в производстве литий-ионных аккумуляторов не достигается за счет более тщательного контроля на конечной стадии производства. Это достигается за счет обнаружения пустот покрытия с разрешением 0,1 мм, складок 0,05 мм и пористости сварного шва с разрешением 0,01 мм — каждый класс дефектов требует разной оптики, освещения и алгоритмов на разных станциях. Система контроля — это инструмент процесса, а не контроль качества.
• Пустоты покрытия и голая фольга: обнаруживаются камерами линейного сканирования при минимальном размере дефекта 0,1 мм при работе на полной скорости полотна со стробирующим освещением.
• Сгиб и смещение выступа: обнаруживается с разрешением 0,05 мм с помощью систем зонального или линейного сканирования, активируемых датчиком положения выступа.
• Пористость сварного шва и брызги: обнаруживаются в масштабе 0,01 мм с помощью коаксиальной визуализации с большим увеличением, поскольку одна пора размером 50 мкм может стать источником утечки.
• Прецизионная лестница: камеры, которые разрешают все с точностью до 0,01 мм, замедляют линию; инженерная задача состоит в том, чтобы сопоставить разрешение каждой станции с наименьшим дефектом, который действительно имеет там значение.

Отверстие в катодном покрытии диаметром 0,2 мм, пятно оголенного алюминия - незамеченным доходит до желейного валика. Проходит формирование. Он проходит проверку OCV. Он проходит классификацию мощности. Он садится в транспортное средство или контейнер, а восемнадцать месяцев спустя клетка, родившаяся с этой дырой, выводит пакет из строя. Отсутствие дефектов означает обнаружение этой дыры на станции нанесения покрытия, на скорости полотна, на каждом квадратном метре, без остановки линии.

Проверка CCD — это дисциплина, которая закрывает этот пробел. Это также дисциплина, которую чаще всего называют неправильно: инженеры покупают камеру с самым высоким разрешением, которую они могут себе позволить, и полагают, что проблема решена. Разрешение без контраста бесполезно; контраст без правильного освещения бесполезен; и либо отсутствие логики классификации дефектов приводит к такому количеству ложных браков, что линия работает на половинной скорости. Инженерная задача не в том, чтобы «получить лучшую камеру». Цель состоит в том, чтобы согласовать физику обнаружения с каждым классом дефектов на каждой станции.

Карта дефектов: что обнаруживать, где и в каком масштабе

На разных станциях рождаются разные дефекты, и каждый требует своего подхода к обнаружению. В таблице ниже представлена ​​справочная карта типичного литий-ионного электрода и сборочной линии.

Закономерность: дефекты покрытия действуют на уровне 0,1 мм, дефекты на уровне выступов — на 0,05 мм, пористость шва — на 0,01 мм. Лестница разрешения не является произвольной. Из последствий отказа следует: пятно оголенной фольги толщиной 0,1 мм представляет собой локальный всплеск плотности тока, ускоряющий осаждение лития; трещина на вкладке 0,05 мм перерастает в разрыв цепи; Пора диаметром 0,01 мм в сварном шве крышки становится каналом утечки, который с годами пропускает влагу.

Станция 1: Нанесение покрытия и сушка для улавливания пустот и голой фольги

Проверка покрытия имеет наибольшую ценность, поскольку полотно с покрытием представляет собой крупнейшую инвестицию в отдельный материал на предприятии. Пропущенный дефект покрытия превращает всю площадь электрода в металлолом или, что еще хуже, в отказ поля.

Физика дефекта.Голая фольга — это область, где покрытие не прилипло или не отложилось. Металлическая поверхность зеркальна и обладает высокой отражающей способностью; покрытие диффузное. На изображении линейного сканирования с косым освещением под малым углом голая фольга выглядит ярким пятном на фоне более темного покрытия. При коаксиальном рассеянном освещении контраст меняется или исчезает. Таким образом, выбор освещения является первым решением, а не разрешение камеры.

Требование разрешения.Практическая цель обнаружения составляет минимум 0,1 мм. Электроды наносятся при ширине полотна до 1600 мм и скорости до 80 м/мин. Для камеры с одиночной строчной разверткой и разрешением 0,1 мм на ширине 1600 мм требуется примерно 16 000 пикселей на строку; при скорости 80 м/мин это скорость линии около 13 кГц. На этих скоростях обычно используются несколько камер или датчики интеграции по времени (TDI). В инженерной сфере основное внимание уделяется количеству камер, мощности освещения и вычислительной мощности.

Управление ложным отклонением.На линиях нанесения покрытия образуются бортики по краям, полосы по толщине покрытия и периодические изменения блеска в результате высыхания. Алгоритмы должны классифицировать их как особенности процесса, а не как дефекты, иначе система контроля отбракует половину каждой катушки. Модель классификации калибруется с учетом конкретного состава покрытия и профиля сушки — система, обученная на NMC, не переходит на LFP без переобучения.

Цель 0,1 мм не является консервативной.На скорости производства можно обнаружить пустоты толщиной 0,1 мм. Дефекты меньшего размера можно обнаружить на остановленной линии, но при скорости 20–80 м/мин оптическая, осветительная и вычислительная цепочка должна разрешать 2–3 пикселя на дефектный элемент для надежного срабатывания. Ниже 0,1 мм соотношение сигнал/шум падает ниже уровня практического обнаружения на скорости. Именно здесь рентгеновский датчик берет на себя функцию средней нагрузки, а ПЗС-матрица обрабатывает дискретные дефекты.

Этап 2: Обработка вкладок: выявление сгиба и смещения

Складки табуляции — тихие убийцы. Сложенная вкладка представляет собой двойной слой проводящего металла, зажатый между сепараторными слоями. Он может выдержать штабелирование, вставку и даже формирование, а затем создать локальную точку нагрева во время езды на велосипеде. Качество сварного шва на сложенном выступе ненадежно, даже если сам сварной шов выглядит приемлемым.

Физика.Согнутая вкладка представляет собой стопку двух металлических поверхностей с видимой линией сгиба. Обнаружение основано на двух сигналах: геометрическом (вкладка кажется короче, чем ожидалось, или ее профиль показывает ступеньку) и визуальном (складка выглядит как высококонтрастная линия при направленном освещении). Структурированное освещение или сканирование областей с высоким разрешением фиксируют трехмерные изменения; система линейного сканирования фиксирует 2D-складку.

Требование разрешения.Цель — 0,05 мм. Вкладки небольшие (обычно шириной 10–40 мм), поэтому поле зрения камеры может быть узким, а разрешение высоким — без чрезмерного количества камер. Спусковой крючок происходит от датчика положения вкладки станции; камера снимает только при наличии вкладки. Точность срабатывания триггера имеет значение: если камера срабатывает на 2 мм раньше или позже, вкладка может вообще не попасть в кадр.

Общий режим отказа.Системы технического зрения, которые правильно указаны, но неправильно срабатывают. Триггеры вкладок должны проверяться при каждом изменении продукта, при этом фактическое изображение из первой статьи регистрируется и проверяется. Система, которая «работала в прошлом месяце», может незаметно пропускать вкладки после отклонения приспособления на несколько десятых миллиметра.

Станция 3:Лазерная сварка-Улавливание пористости 0,01 мм в шве

Контроль сварных швов требует высочайшего разрешения во всей линии, поскольку последствием пропуска дефекта является негерметичность ячейки. Накидной сварной шов призматической ячейки составляет примерно 760 мм непрерывного шва; на цилиндрической ячейке десятки сварных швов на ячейку. Каждый должен быть проверен без исключения.

Физика.Пористость сварного шва выглядит как небольшие темные ямки в отражающем поле металла. Брызги выглядят как приподнятые или прилипшие частицы возле шва. Оба имеют низкую контрастность в рассеянном свете и высокую контрастность в темном поле или коаксиальном освещении. Лучшие системы контроля сварных швов сочетают коаксиальную визуализацию сварочной ванны с темнопольной визуализацией готового шва после сварки.

Требование разрешения.Целью является 0,01 мм-10 мкм для обнаружения пористости. Это в 10 раз тоньше, чем контроль электродов, и требует либо оптики с большим увеличением и узким полем зрения, либо коаксиального контроля изнутри сварочной головки. При толщине 0,01 мм система проверяет гораздо меньшую площадь на кадр, поэтому проверка сварного шва выполняется во время движения сварного шва и инициируется траекторией сварного шва, а не отдельным индексом конвейера.

Ограничения обнаружения.Ни одна система технического зрения не может надежно обнаружить подповерхностную пористость. Полностью закрытый сварной шов может скрыть внутренние пустоты, которые можно увидеть только при помощи рентгена или компьютерной томографии. ПЗС-контроль является первым фильтром, быстро улавливающим поверхностные и приповерхностные дефекты: остальное отбирает рентгеновский или ультразвуковой контроль. Стратегия нулевого дефекта сочетает в себе как линейную ПЗС-матрицу при 100% контроле, так и рентгеновскую или компьютерную томографию на выборочной основе для проверки процесса.

Лестница точности: сопоставление разрешения с важным дефектом

Самая распространенная ошибка спецификации — выбор одного разрешения для всей строки. Система толщиной 0,01 мм, применяемая для проверки электродов, в четыре раза увеличивает количество камер и вычислительную нагрузку, а также вдвое снижает скорость линии. Система 0,1 мм, применяемая для контроля сварных швов, не учитывает ни одного важного дефекта.

Правильный подход – прецизионная лестница:

Лестница применяется как инженерная смета. Система, которая разрешает 0,01 мм на сварном шве и 0,1 мм на станции нанесения покрытия, использует правильную камеру в нужном месте и по правильной цене. Он также удерживает вычислительную нагрузку в реалистичных пределах: система толщиной 0,01 мм при полной ширине полотна и полной скорости будет генерировать данные быстрее, чем любой практический конвейер обработки может их потребить.

A против B: видение на основе правил против классификации ИИ

В проверке аккумуляторов доминируют две алгоритмические философии.

Проверка на основе правилиспользует фиксированные пороговые значения, анализ больших двоичных объектов и геометрические измерения. Он детерминирован, быстр и легко проверяется. Он превосходен там, где дефекты четко определены и сигнатура дефекта стабильна: дыра — это темная область определенной области; складка — это высококонтрастная линия выше определенной длины. Он выходит из строя при естественном изменении текстуры покрытия изделия, колебаниях освещения, дефектах формы кромок.

Классификация ИИиспользует модели глубокого обучения, обученные на помеченных изображениях хороших и дефектных регионов. Он изящно обрабатывает изменения и адаптируется к сложным сигнатурам дефектов. Для этого требуются обучающие данные, по-прежнему требуется переобучение при изменении процесса, и он менее прозрачен, когда оспаривается отказ.

Практический ответ является гибридным: искусственный интеллект для обнаружения и классификации, где сигнатура дефекта является переменной; правила измерения и отклонения, когда решение должно быть проверяемым. Оба работают на одной и той же платформе линейного сканирования.

Нулевые дефекты — это свойство системы, а не свойства камеры

Одна только система CCD никогда не обеспечивает нулевых дефектов. Полная цепочка состоит из четырех частей:

1. Обнаружениес правильным разрешением и контрастностью для каждого класса дефектов.
2. Классификациякоторая отделяет истинные дефекты от изменений процесса, чтобы свести к минимуму количество ложных браков.
3. Действиекоторый отторгает пораженную ячейку или участок электрода из линии в течение одного цикла.
4. Обратная связькоторый связывает тенденции дефектов с параметрами предшествующего процесса на контрольной карте.

Отсутствие какой-либо части приводит к тому, что камеры, генерирующие данные, никто не использует. Инвестиции окупаются только тогда, когда данные проверки замыкают цикл обратного процесса.

Последнее замечание о приемочном тестировании. Разрешение камеры и частота кадров необходимы, но недостаточны для закупки. Спецификация должна требовать проверки работоспособности: известные дефекты каждого класса: пятна фольги размером 0,1 мм, складки язычков размером 0,05 мм, сварные поры размером 0,01 мм, установленные в известных положениях, а степень обнаружения измеряется на скорости производства. Система, прошедшая испытание, — это система, а не таблица данных. Эта станция полного контроля, состоящая из станций нанесения покрытий, пластин и сварки на одной платформе с общей архитектурой данных, снабжается через аккумуляторные ПЗС-системы контроля для обнаружения дефектов электродов и сварных швов, разработанные вместе со станциями нанесения покрытий и сварки, которые они защищают.

Часто задаваемые вопросы: Проверка CCD в литий-ионных линиях

Какое разрешение необходимо для проверки электродов батареи?
Минимальный размер дефекта 0,1 мм для покрытия пустот и голой фольги на полноширинном полотне на производственной скорости. Мелкие детали можно обнаружить на остановленном полотне, но для надежного обнаружения на скорости 20–80 м/мин требуется 0,1 мм в качестве практической цели.

Почему для контроля сварных швов требуется разрешение 0,01 мм?
Потому что поры размером менее 0,1 мм, разрушающие поверхность в крышке или сварном шве, становятся путями утечки на протяжении всего срока службы элемента. Поры диаметром 50 мкм не являются косметическим дефектом; это риск герметичности. Это делает контроль сварных швов на порядок более точным, чем контроль электродов.

Может ли проверка CCD заменить проверку на утечку гелием?
Нет. ПЗС-матрица на высокой скорости улавливает пористость, разрушающую поверхность, брызги и дефекты швов. Полностью закрытые подповерхностные пустоты невидимы для оптического контроля. Эти два метода дополняют друг друга: ПЗС-матрица для 100-процентного контроля сварных швов, проверка на утечку гелием для 100-процентной проверки герметичности и рентгеновский отбор проб для контроля подземных процессов.

Что является причиной наибольшего количества ложных отказов в аккумуляторных системах технического зрения?
Нестабильность освещения и неконтролируемые изменения технологического процесса, приводящие к изменению блеска покрытия, смещению зон сушки и развеванию полотна. Исправление архитектуры освещения и стабилизация процесса снижают количество ложных ошибок более эффективно, чем увеличение разрешения камеры.

Как часто необходимо переобучать модели контроля?
Всякий раз, когда меняется продукт: новая рецептура покрытия, геометрия электрода или пакет сварных швов. Пороговые значения, основанные на правилах, требуют повторной проверки; Модели ИИ требуют новых помеченных данных. Процедура переключения, включающая проверку проверки, не позволяет системе незаметно пропустить дефекты после изменения формата.

Технический справочник, составленный группой инженеров-технологов TOB New Energy на основе визуального контроля линий нанесения покрытий электродов, сварки пластин и линий сборки элементов. Чтобы провести исследование по выявлению класса дефектов вашего конкретного электрода и геометрии сварного шва, свяжитесь с доктором Дэни Хуангом в LinkedIn или отправьте образцы дефектов в лабораторию машинного зрения Сямэнь.