De mobiliteitstransitie begint in de productie

Duurzame mobiliteit ontstaat niet pas op de weg, maar al tijdens de productie. Elektromotoren, connectoren, injectiesystemen, brandstofcellen en batterijcellen werken alleen duurzaam, efficiënt en veilig als de relevante geometrieën stabiel onder de knie zijn. Elke vroegtijdig gesignaleerde afwijking voorkomt uitval, nabewerking en onveilige procesomstandigheden. metrologie levert daarmee een directe bijdrage aan het zuinig omgaan met hulpbronnen, een lange levensduur en een betrouwbare werking. Het artikel laat aan de hand van vijf toepassingen zien hoe coördinatenmeetapparatuur van Werth Messtechnik met optica, tasters, computertomografie en multisensor systemen korte meettijden, hoge resolutie, hoge nauwkeurigheid en beschikbare systemen combineert.

Vier eisen, één gemeenschappelijk patroon

Dunne elektrische platen, filigrane contacten, inwendige spuitmondgeometrieën, platen met grote reliëfoppervlakken en veiligheidsgevoelige cellen verschillen aanzienlijk qua materiaal, geometrie en stukaantal. De eisen aan de metrologie volgen niettemin een gemeenschappelijk patroon. Korte meettijden waarborgen de doorvoer van de serieproductie, een hoge resolutie maakt fijne structuren en beginnende defecten zichtbaar, een hoge nauwkeurigheid behoudt de bruikbare productietolerantie en beschikbare systemen voorkomen stilstanden bij de productiebegeleidende controle. Voor de nauwkeurigheid geldt de uit de geschiktheid van testprocessen bekende vuistregel dat de meetonzekerheid een factor 10 kleiner moet zijn dan de tolerantie. Hoe groter de meetonzekerheid, hoe smaller de bruikbare productietolerantie wordt en hoe meer werkstukken die op de grens zitten uit voorzorg moeten worden afgekeurd volgens de beslissingsregels van ISO 14253-1. Nauwkeurigere meetapparatuur spaart daarentegen de productietolerantie, omdat de tolerantieband voor de productiemachines behouden blijft en niet wordt opgeslokt door de meet metrologie. Ze verlagen zo de afkeurings- en testkosten, ook al zijn ze in aanschaf duurder. De kosten dalen echter het sterkst door stabiele, beheersbare processen. Wie trends herkent voordat werkstukken buiten de tolerantie vallen, vermindert uitval en nabewerking bij de bron.

Rotor- en statorplaten voor elektromotoren

Bij rotor- en statorplaten gaan grote aantallen gepaard met gevoelige, dunne werkstukken. Een elektrisch plaatwerk voor tractiemotoren is doorgaans slechts 0,2 mm tot 0,35 mm dik, en de trend naar dunnere lamellen vermindert wervelstroomverliezen en verhoogt het rendement. Bramen aan de stansranden zijn daarbij meer dan alleen een cosmetisch probleem. Ze kunnen de isolatielaag van aangrenzende platen doorboren en laagkortsluitingen veroorzaken, wat leidt tot oververhitting en verlies aan rendement. Tegelijkertijd is bramenvorming een vroege indicator voor slijtage van het ponsgereedschap. Wie dit in de gaten houdt, kan gereedschappen op basis van de toestand onderhouden in plaats van strikt volgens vaste intervallen. Veel terugkerende geometrieën moeten in korte tijd worden gecontroleerd, en omdat aftastkrachten de dunne platen kunnen vervormen, moeten ribben, bramen, vlakheid en vervormingen contactloos en met hoge resolutie worden ge vastleggen. De coördinaten meetmachine ScopeCheck® FB DZ van Werth Messtechnik is met rasterscanning HD ontworpen voor deze seriecontrole. Bij rasterscanning legt de beeldverwerkingssensor het werkstuk tijdens de asbeweging vast in vele overlappende afzonderlijke beelden, die worden samengevoegd tot een totaalbeeld met maximaal 20.000 megapixels. Deze methode is beschikbaar vanaf de uiterst nauwkeurige VideoCheck®-serie tot aan de productiegerichte ScopeCheck®-apparaten. Zo kan de gehele plaat zonder heropspannen worden ge vastleggen, en worden procesafwijkingen vroegtijdig zichtbaar, voordat ze afkeur of instabiele vervolgprocessen veroorzaken.

connectoren en fijne pin-geometrieën

connectoren zijn kenmerkend voor een typische inspectietaak in de elektrificatie. Met 800 V-boordnetten, laadinfrastructuur en toenemende sensoren stijgt het aantal contacten per voertuig, evenals de eisen die aan elk afzonderlijk contact worden gesteld. Afwijkingen in de pin-positie en verhogen de steekkrachten en overgangsweerstanden, wat bij hoogspanningsconnectoren tot onaanvaardbare opwarming kan leiden en bij signaalcontacten tot uitval van assistentie- en laadfuncties. Voor de fijne pin-geometrieën zijn structuurresoluties van 20 µm of beter vereist. Rasterscanning HD registreert grote werkstukken met veel kenmerken in enkele seconden en is 50 keer sneller dan conventionele beeldverwerking. Veel contacten zijn bovendien omspoten of in gemonteerde toestand van buitenaf niet meer toegankelijk. Hier biedt de ‘ computertomografie ’ van Werth een breder beeld niet-destructief van het volledige werkstukvolume. Hiervoor wordt het werkstuk op een ‘ draaitafel ’ vanuit vele richtingen doorgestraald met ‘ X-rays ’, en op basis van de projecties reconstrueert de software een driedimensionaal volumemodel met alle buiten- en binnengeometrieën. De Werth TomoScope®-apparaten meten 10 keer sneller dan vergelijkbare CT-systemen. De software WinWerth® visualiseert resultaten zoals pinposities of inbouwposities zodanig dat ze direct bruikbaar zijn voor de procesbesturing.

injectiespuitkoppen voor benzine, diesel en waterstof

injectiespuitkoppen blijven relevant voor verschillende aandrijfconcepten, van de geoptimaliseerde verbrandingsmotor tot de waterstofaandrijving. De kritische kenmerken bevinden zich vaak aan de binnenkant. De diameter van de spuitgaten van moderne injectoren bedraagt vaak slechts 100 µm tot 200 µm, en vorm en randafronding van de boringen bepalen het spuitpatroon, het verbruik en de emissies, wat met de aangescherpte uitlaatgasnormen steeds belangrijker wordt. Bij waterstofaandrijving komen daar nog dichtheid en nieuwe materiaalcombinaties bij, omdat het droge gas, in tegenstelling tot vloeibare brandstoffen, niet smeert. Bramen en toleranties in het bereik van enkele micrometers zijn bepalend voor de doorstroming en de duurzaamheid. Een puur uitwendige controle volstaat hiervoor niet. De computertomografie van Werth registreert zowel uitwendige als inwendige geometrieën, zoals blinde gaten en naaldzittingen niet-destructief, en dat volledig. Bramen worden niet alleen herkend, maar ook gemeten en neutraal beoordeeld. Voor bijzonder klein, uiterst nauwkeurige tactiele meetopdrachten tot en met de Ruwheid vult de Werth fiber taster ® WFP het spectrum aan. De al zo’n 30 jaar gevestigde micro taster met een kogel van 20 µm werkt met geringe tastkrachten en bereikt kenmerken die voor conventionele taster nauwelijks toegankelijk zijn.

Bipolaire platen voor brandstofcellen

Brandstofcellen zetten waterstof en zuurstof direct om in elektrische energie, waarbij water het enige reactieproduct is. Bipolaire platen zijn daarbij essentiële functionele onderdelen. Ze scheiden de afzonderlijke cellen van de stack van elkaar, verdelen de gassen via fijne kanaalstructuren gelijkmatig over het actieve oppervlak, geleiden de elektrische stroom van cel naar cel en voeren de reactiewarmte af via koelkanalen. Voor de „ metrologie ” betekent dit het over een groot oppervlak controleren van grote, fijn gestructureerde werkstukken. Metalen bipolaire platen worden uit folies met een dikte van deels minder dan 0,1 mm gestanst of hydrogevormd. De kanaalstructuren zijn slechts enkele honderden micrometer groot. Omdat een stapel uit enkele honderden platen bestaat, tellen afwijkingen in vlakheid en dikte over de hele stapel op en beïnvloeden ze de aandrukkracht, de contactweerstanden en de dichtheid ten opzichte van waterstof. Ook de stempeldiepte, afdichtingsvlakken en gereedschapsverschuivingen hebben een directe invloed op de werking en de proceszekerheid. Tegelijkertijd mag de ‘ meting ’ de gevoelige oppervlakken niet mechanisch beïnvloeden. Werth multisensor systemen combineert hiervoor snelle optische methoden met contactloze afstandssensoren. Rasterscanning HD controleert de grote plaatoppervlakken in korte tijd, en de uiterst nauwkeurige chromatische afstandssensor Werth CFP (Chromatic Focus Point) meet stempeldieptes, vlakheid en vervorming zonder mechanische beïnvloeding. Met de traploos verstelbare draai-/zwenk kop WRT kan het systeem loodrecht op hellende oppervlakken worden uitgelijnd. Hierdoor kunnen serievrijgaven worden versneld, uitvalpercentages worden verlaagd en procesgegevens worden verkregen voor gereedschapscorrecties en stabiele productievenster, met name bij de opstart van de serieproductie, wanneer stempelgereedschappen iteratief worden gecorrigeerd.

Batterijcellen en 100%-controle

De eisen zijn het strengst bij batterijcellen. Aansluitklemmen, overhangen, jelly-roll-geometrie, delaminaties en deeltjes moeten binnen enkele seconden en met een hoge ver resolutie worden gecontroleerd. De overhang van de anode is daarbij een veiligheidsrelevante maatstaf. Als de anode niet betrouwbaar boven de kathode uitsteekt, dreigt lithiumplating met capaciteitsverlies en kortsluitingsgevaar. Metalen deeltjes en delaminaties in het binnenste van de cel kunnen interne kortsluitingen veroorzaken, die zelfs tot thermische doorbraken kunnen leiden. Na de montage is de ' computertomografie ' de enige methode die dergelijke inwendige kenmerken niet-destructief zichtbaar maakt en meet. De 100%-controle wordt daarmee een centraal thema in de productie. Werth TomoScope®-systemen met een Werth HighResLonglife-röntgenbron en AI-gestuurde automatische defectdetectie bieden een oplossing voor deze uitdaging. Defecten van slechts enkele micrometers worden gedetecteerd, tot 35 keer sneller en op een kwart van de benodigde vloeroppervlakte in vergelijking met vergelijkbare oplossingen. De Werth-röntgenbronnen met hoge resolutie, van 130 kV tot 230 kV, maken bij dezelfde resolutie vijf keer snellere metingen mogelijk dan conventionele reflectiebronnen. Hun onderhoudscyclus van twaalf maanden valt samen met het reguliere onderhoud van de apparatuur. Door twee apparaten parallel te laten draaien in één teststation wordt de cyclustijd gehalveerd, bijvoorbeeld van 30 seconden naar 15 seconden, en ontstaat tegelijkertijd redundantie bij onderhoud en storing. De EU-batterijverordening (EU 2023/1542) zorgt bovendien voor regelgevende steun, aangezien deze met het batterijpaspoort en de CO₂-voetafdrukverklaring volledige documentatie en traceerbaarheid vereist.

Traceerbaar meten, in staat test

In alle toepassingen eist de auto-industrie volgens IATF 16949 aantoonbaar geschikte testprocessen, waarvan de geschiktheid doorgaans wordt beoordeeld volgens VDA-deel 5. Coördinatenmeetapparaten met computertomografie worden gespecificeerd en goedgekeurd volgens de richtlijn VDI/VDE 2617 blad 13 en de ISO 10360 deel 11. Daarnaast biedt Werth CT-coördinatenmeetapparatuur aan met kalibratie volgens de voorschriften van de Duitse accreditatie-instantie (DAkkS), die sinds enkele jaren verplicht is in de automobielindustrie. Traceerbaar meting in het gehele werkstukvolume berust daarmee op dezelfde normatieve basis als de klassieke tactiele en optische coördinatenmetrologie.

Beheersbare processen als gemeenschappelijk voordeel

De voorbeelden laten zien dat duurzame mobiliteit niet om één enkele meettechnologie vraagt, maar om de juiste combinatie van sensoren, snelheid, evaluatie en beschikbaarheid. optica, tasters, computertomografie en multisensor systemen vullen elkaar aan wanneer buitencontouren, binnengeometrieën, microstructuren en gevoelige oppervlakken dicht bij het proces moeten worden beoordeeld. Voor productieverantwoordelijken telt daarbij meer dan alleen precisie in het meetkamer. Doorslaggevend zijn betrouwbare goedkeuringen, lagere uitvalpercentages, beschikbare systemen en gemeten gegevens die direct bijdragen aan de procesbesturing. metrologie wordt zo een bouwsteen van een economische, veilige en hulpbronnenbesparende productie en daarmee een fundament van de mobiliteitstransformatie.