DE102012224264A1

DE102012224264A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Nassbeschichten eines Substrats

Info

Publication number: DE102012224264A1
Application number: DE201210224264
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nassbeschichten eines Substrats (12), wobei auf dem Substrat (12) eine Schicht (18) mit einem Spritzkopf (20) aufgetragen wird und die Schicht (18) nach dem Auftragen getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Schichtdicke (d1) der aufgetragenen Schicht (18) vor dem Trocknen gemessen wird und bei einer festgestellten Abweichung von einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke (d0) der Druck (p1) des Beschichtungsmaterials im Spritzkopf (20) angepasst wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Nassbeschichten eines Substrats (12) umfassend einen Spritzkopf (20) und einen Trockner (30).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nassbeschichten eines Substrats, wobei auf dem Substrat eine Schicht mit einem Spritzkopf aufgetragen wird und die Schicht nach dem Auftragen getrocknet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Nassbeschichten eines Substrats umfassend einen Spritzkopf und einen Trockner.
Bei der Beschichtung von Substraten mit einem Material ergibt sich häufig das Erfordernis, eine gleichmäßige Schicht mit einer vorgegebenen Dicke zu erzeugen. So ist beispielsweise bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen die Qualität der Beschichtung der Elektroden mit dem Aktivmaterial von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Batteriezellen. Insbesondere die Kapazität der Batteriezellen und deren Streuung sind abhängig von einer gleichmäßigen Schichtdicke sowie von einer nur gering um ihren Sollwert streuenden Schichtdicke. Bei der Elektrodenbeschichtung wird das Aktivmaterial der Elektrode in Form einer sogenannten Slurry (ein fließfähiger Brei) nass auf die Trägerfolien der Elektroden aufgebracht. Bei Lithium-Ionen-Batteriezellen wird für die Anode häufig ein Material basierend auf natürlichen und/oder synthetischen Graphiten und bei der Kathode ein Material basierend auf der Kombination verschiedener Lithium-Metall-Oxide aufgebracht.
Für das Beschichten der Substrate werden die Aktivmaterialien in einem Mischprozess unter Beigabe von Lösungsmitteln zu der Slurry aufbereitet. Im Falle der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen wird für das Anodenmaterial üblicherweise ein wasserbasiertes Lösungsmittel eingesetzt und bei der Fertigung der Kathode ein Lösungsmittel auf Basis von N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) verwendet. Bei der Elektrodenfertigung kommt als Substrat eine Trägerfolie zum Einsatz, die bei der Anode üblicherweise aus Kupfer und bei der Kathode üblicherweise aus Aluminium besteht. Die Foliendicke liegt dabei im Bereich von etwa 10 µm. Die Schichtdicke des Materials, welches auf die Folie aufgebracht wird, ist abhängig von der Auslegung der Batteriezellen und liegt beispielsweise zwischen etwa 20 µm und 200 µm.
Nach dem Nassbeschichten des Substrats wird dieses in einem Trockenofen getrocknet, damit das Lösungsmittel aus dem beschichteten Material ausdampfen kann. Das Beschichtungsverfahren läuft üblicherweise kontinuierlich von Rolle zu Rolle ab, wobei die Länge des Trockenofens, abhängig von der Produktionsgeschwindigkeit, üblicherweise zwischen 10 m und 30 m beträgt.
Nach dem Trocknen wird die Dicke der aufgebrachten Schicht gemessen. Sollen beide Seiten des Substrats mit Material beschichtet werden, kann das Substrat anschließend einem weiteren Beschichtungsschritt zugeführt werden. Die Dicke der aufgebrachten Schicht ist von einer Vielzahl von Prozessparametern abhängig, wie beispielsweise der Konsistenz der Slurry, dem Druck, mit dem das Material dem Spritzkopf, mit dem dieses auf dem Substrat aufgebracht wird, zugeführt wird, der Geometrie der Düsen im Spritzkopf und der Transportgeschwindigkeit des Substrats. Werden am Ende des Produktionsprozesses von der vorgegebenen Soll-Schichtdicke abweichende Schichtdicken gemessen, werden ein oder mehrere Prozessparameter angepasst, um die Dicke der aufgebrachten Schicht zu korrigieren, so dass die tatsächliche Schichtdicke möglichst in einem Fenster von ± 1 µm um den vorgegebenen Sollwert liegt.
Aus CN 102125907 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit Aktivmaterialien zur Fertigung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batteriezellen bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Beschichtungseinrichtung und einen Trockner sowie zwei Messeinrichtungen und ein Steuergerät. Die erste Messeinrichtung ist vor der Beschichtungsvorrichtung angeordnet und dient zum Messen einer Dicke einer in einem vorangegangenen Beschichtungsschritt aufgebrachten Schicht. Die zweite Messeinrichtung ist nach dem Trockner angeordnet und misst die Schichtdicke auf dem fertigen getrockneten Substrat. Die Messwerte der beiden Messeinrichtungen werden vom Steuergerät genutzt, um die Beschichtungsvorrichtung zu regeln. Dabei wird abhängig von den gemessenen Schichtdicken die Zufuhr an Beschichtungsmaterial gesteuert.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass sich ein gleichmäßiger Schichtauftrag auf dem Substrat durch die bloße Regelung der Materialzufuhr nicht zuverlässig erzielen lässt. Durch die Steuerung der Materialzufuhr kann zwar die durchschnittliche Schichtdicke angepasst werden, zum Erzielen eines dauerhaft gleichmäßigen Schichtauftrags müssen jedoch weitere Prozessparameter angepasst werden, was bisher manuell durch den Anlagenführer erfolgen muss.
Zudem wirkt sich nachteilig aus, dass eine Messung der Dicke der aufgebrachten Schicht erst nach dem Trocknen erfolgt und damit je nach Länge des Trockners erst etwa 10 m bis 30 m nach dem Beschichten. Wird nun eine von einem vorgegebenen Sollwert abweichende Schichtdicke ermittelt, die außerhalb der vorgeschriebenen Toleranz von üblicherweise ± 1 µm liegt, entsteht eine große Menge an Ausschuss, da sich eine Anpassung der Prozessparameter erst nach Durchlaufen einer Substratlänge, die dem Abstand zwischen dem Spritzkopf, mit dem das Material aufgetragen wird, und der Messeinrichtung entspricht, auswirken kann. Des Weiteren erschwert die sich daraus ergebende zeitliche Latenz zwischen Messung und Wirksamwerden einer Anpassung die Implementierung eines automatischen Regelmechanismus.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Nassbeschichten eines Substrats vorgeschlagen, wobei auf dem Substrat eine Schicht mit einem Spritzkopf aufgetragen wird und die Schicht nach dem Auftragen getrocknet wird und wobei eine Ist-Schichtdicke der aufgetragenen Schicht vor dem Trocknen gemessen wird und bei einer festgestellten Abweichung von einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke der Druck des Beschichtungsmaterials im Spritzkopf angepasst wird.
Das zu beschichtende Substrat wird dabei einer Beschichtungsvorrichtung zugeführt und erreicht als erstes den Spritzkopf, mit dem Material auf das Substrat aufgetragen werden kann. Das Material ist dabei in einem Lösungsmittel gelöst, welches anschließend in dem Trockner verdampft wird. Zur schnellen Erfassung der Schichtdicke unmittelbar nach dem Auftragen der Schicht mit dem Spritzkopf, ist zwischen dem Spritzkopf und dem Trockner eine Messeinrichtung angeordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird für die Anpassung des Drucks im Spritzkopf ein Schichtdickenregler verwendet, dessen Eingangsgrößen die Soll-Schichtdicke und die gemessene Ist-Schichtdicke vor dem Trocknen umfassen und wobei als Ausgangsgröße ein Soll-Druck für den Spritzkopf ermittelt wird.
Für das automatische Vornehmen einer Regelung kann jedes dem Fachmann bekannte Regelverfahren eingesetzt werden. So ist es beispielsweise denkbar, einen Proportional-Integral-Differenzial(PID)-Regler einzusetzen, um den Druck im Spritzkopf so anzupassen, dass die tatsächliche Schichtdicke der geforderten Soll-Schichtdicke angenähert wird. Selbstverständlich sind auch andere Regler denkbar, wie beispielsweise ein Proportional-Integral-Regler, ein reiner Integral- oder ein reiner Proportional-Regler. Über einen Regelkreis kann der Druck, mit dem das Material dem Spritzkopf zugeführt wird, so geregelt werden, dass die Dicke der aufgebrachten Schicht innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters von beispielsweise ± 1 µm um die geforderte Soll-Schichtdicke liegt. Dabei kann der Druck des zugeführten Materials beispielsweise mit Hilfe einer Steuerung einer materialzuführenden Pumpe oder über ein Druckregelventil eingestellt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird aus dem Soll-Druck, der Ausgangsgröße eines Reglers sein kann, ein Steuersignal für eine Druckregeleinrichtung erzeugt.
Das aus dem Soll-Druck erzeugte Steuersignal kann beispielsweise eingerichtet sein, einen Stellmotor für ein Druckregelventil zu betätigen oder die Leistung einer materialzuführenden Pumpe zu steuern.
Zum Erzielen einer homogenen Beschichtung ist es des Weiteren erforderlich, dass der tatsächliche Druck im Spritzkopf auch dem vorgegebenen Soll-Druck entspricht. Der tatsächliche Druck im Spritzkopf kann Schwankungen unterliegen aufgrund von Variationen in der Materialkonsistenz und wird auch durch Änderung von anderen Prozessparametern, wie beispielsweise der Geometrie der verwendeten Beschichtungsdüsen im Spritzkopf, beeinflusst. Wird beispielsweise zur Regelung des Drucks ein Druckregelventil eingesetzt, reicht eine einfache Zuordnung eines Soll-Drucks zu einer bestimmten Ventilstellung nicht aus, um den tatsächlichen Druck einzustellen und konstant zu halten.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird daher dem Schichtdickenregler ein Druckregler für den Druck im Spritzkopf unterlagert, wobei der Soll-Druck durch den Schichtdickenregler vorgegeben wird und als Ausgangsgröße ein Steuersignal für eine Druckregeleinrichtung erzeugt wird.
Zur Implementierung dieses unterlagerten Regelkreises kann der Fachmann wiederum auf jeden bekannten Regelmechanismus zurückgreifen, insbesondere PID-Regler, PI-Regler oder einzelne P-Regler oder I-Regler.
In einer Ausführungsform der Erfindung verwendet der unterlagerte Druckregler für den Druck im Spritzkopf als weitere Eingangsgröße einen Ist-Druck des Spritzkopfs.
Der Ist-Druck des Spritzkopfs kann beispielsweise über einen im Spritzkopf angeordneten Drucksensor ermittelt werden. Des Weiteren ist es denkbar, als eine Eingangsgröße für den Druckregler die Konsistenz des Beschichtungsmaterials zu verwenden.
Das je nach Ausführungsform des Verfahrens direkt vom Schichtdickenregler oder durch einen unterlagerten Druckregler erzeugte Steuersignal, wird einer Druckregeleinrichtung zugeführt. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird als Druckregeleinrichtung ein Druckregelventil und/oder eine regelbare Pumpe für die Materialzufuhr verwendet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die aufgebrachte Schicht ein Aktivmaterial für eine Elektrode einer Batterie. Dabei kommt beispielsweise bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen für die Anode ein auf natürlichen und/oder synthetischen Graphiten basierendes Material und für die Kathode eine Kombination aus verschiedenen Lithium-Metall-Oxiden zum Einsatz. Als Substrate bei der Elektrodenfertigung werden beispielsweise Kupfer für die Anode und Aluminium für die Fertigung der Kathode eingesetzt. Die Dicken der verwendeten Substrate liegen dabei üblicherweise im Bereich von etwa 10 µm. Die Dicke der aufgebrachten Schicht des Aktivmaterials liegt bei der Fertigung von Elektroden für Batteriezellen je nach Auslegung der Zellen zwischen etwa 20 µm und 200 µm.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Nassbeschichten eines Substrats umfassend einen Spritzkopf und einen Trockner, wobei vor dem Trockner eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Nassschichtdicke angeordnet ist und abhängig von der bestimmten Nassschichtdicke der Druck des Beschichtungsmaterials im Spritzkopf auf einen durch einen Schichtdickenregler vorgegebenen Sollwert einstellbar ist.
Der Vorrichtung wird das zu beschichtende Substrat zugeführt und das Substrat erreicht als erstes den Spritzkopf, mit dem Material auf dieses nass aufgetragen werden kann. Unmittelbar nach dem Schichtauftrag wird über eine Messeinrichtung die Nassschichtdicke ermittelt und anschließend wird das beschichtete Substrat durch den Trockner getrocknet. Während des Beschichtungsvorgangs wird der Druck des zu beschichtenden Materials im Spritzkopf auf einen Sollwert eingestellt. Dieser Sollwert wird durch einen Schichtdickenregler in Abhängigkeit der gemessenen Nassschichtdicke vorgegeben. In dem Schichtdickenregler kann jedes des Fachmann bekannte Regelungsverfahren implementiert werden.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist im Spritzkopf ein Drucksensor angeordnet und es ist ein Druckregler vorgesehen, mit dem der Druck im Spritzkopf auf den vorgegebenen Sollwert regelbar ist. Wiederum kann im Druckregler jedes dem Fachmann bekannte Regelungsverfahren implementiert werden.
Je nach Ausführungsform der Vorrichtung wird entweder direkt durch den Schichtdickenregler oder durch den Druckregler ein Steuersignal erzeugt, mit dem eine Druckregeleinrichtung im Spritzkopf angesteuert wird. Diese Druckregeleinrichtung ist für das Umsetzen des Steuersignals und damit für das eigentliche Einstellen des Drucks im Spritzkopf verantwortlich.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist für das Einstellen des Drucks im Spritzkopf ein Druckregelventil angeordnet und/oder eine Pumpe für die Materialzufuhr regelbar ausgeführt.
Vorteile der Erfindung
Durch die Messung der Dicke der aufgebrachten Schicht vor dem Trocknen, mittels der vor dem Trockner angeordneten Messeinrichtung, wird die zeitliche Latenz zwischen dem Auftragen der Beschichtung und der Messung der Dicke der aufgetragenen Schicht deutlich reduziert. Durch die reduzierte Latenz wird das Implementieren eines Regelsystems wesentlich vereinfacht, da dieses schnell auf festgestellte Abweichungen der Schichtdicke von der Soll-Schichtdicke reagieren kann. Des Weiteren wird die Menge an produziertem Ausschuss reduziert, da beschichtete Substrate, deren Schichtdicke außerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters liegen, unmittelbar nach dem Beschichten erkannt werden können und nicht erst nachdem, abhängig von der Länge des Trockners, 10 m bis 30 m des Substrats mit den ungeeigneten Parametern beschichtet worden sind.
Des Weiteren erlaubt die vorgeschlagene Regelung des Drucks im Spritzkopf eine wesentlich homogenere Beschichtung des Substrats, als dies allein mit der bloßen Regelung der Menge an zugeführtem Material erreicht werden könnte.
Des Weiteren wird dem vorgeschlagenen Regelkreis bzw. Regler für die Schichtdicke in einer bevorzugten Ausführungsform ein Regelkreis für den Druck des Materials im Spritzkopf unterlagert. Dieser Druckregelkreis stellt sicher, dass der Druck des Materials im Spritzkopf auf den gewünschten Soll-Wert für den Druck eingeregelt wird. Dieser Druckregelkreis kann zusätzlich mit einem von der Soll-Schichtdicke und von dem verwendeten Beschichtungsmaterial abhängigen Sollwert vorgesteuert werden, damit der Regelkreis für die Schichtdicke nur noch Abweichungen korrigieren muss.
In der Vorrichtung auftretende Druckabweichungen, beispielsweise durch eine Konsistenzänderung des Beschichtungsmaterials, werden durch den unterlagerten Regelkreis für den Beschichtungsdruck automatisch ausgeglichen. Die Abhängigkeit des Beschichtungsprozesses von solchen Störgrößen wird dadurch deutlich verringert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und in der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Beschichtungsvorrichtung von der Seite,
2 eine schematische Darstellung eines Spritzkopfs,
3 das Schema eines Schichtdickenreglers, und
4 das Schema eines Schichtdickenreglers mit unterlagertem Druckregler.
Ausführungsvarianten
In der 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung schematisch dargestellt.
1 zeigt eine Beschichtungsvorrichtung 10, bei der ein zu beschichtendes Substrat 12 über mehrere Rollen 16 geführt wird. Das Substrat 12 wird entlang der Transportrichtung 14 geführt und erreicht als erstes den Spritzkopf 20. Der Spritzkopf 20 trägt Material in Form von einer Schicht 18 nass auf das Substrat 12 auf. Das Material liegt in Form einer Slurry, das heißt in Form eines fließfähigen Breis vor.
Im Fall der Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batteriezellen wird als Substrat 12 eine Metallfolie eingesetzt, deren Stärke zwischen ca. 2 µm und ca. 20 µm liegt, insbesondere ca. 10 µm beträgt. Bei der Fertigung der Anode wird üblicherweise eine Kupferfolie, bei der Fertigung der Kathode wird üblicherweise eine Aluminiumfolie eingesetzt. Die Materialien, mit denen die Metallfolien beschichtet werden, basieren im Fall der Fertigung der Anode auf natürlichen und/oder synthetischen Graphiten und sind üblicherweise in einem wasserbasierenden Lösungsmittel gelöst. Bei der Fertigung der Kathode basiert das Material üblicherweise auf einer Kombination von verschiedenen Lithium-Metall-Oxiden, die beispielsweise in einem Lösungsmittel auf Basis von N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) gelöst sind.
Die Dicke der Materialschicht, die nass auf das Substrat aufgetragen wird, ist abhängig von der Auslegung der Batteriezellen und beträgt typischerweise zwischen 20 µm und 200 µm. Dabei ist es für die Qualität der Batterie von entscheidender Bedeutung, dass der Schichtauftrag gleichmäßig ist und nur gering von einem vorgegebenen Sollwert abweicht. Typischerweise wird gefordert, dass die Abweichung vom Sollwert weniger als 1 µm beträgt.
Nach dem Auftragen der Schicht 18 wird das Substrat 12 unter einer Messeinrichtung 22 entlanggeführt, mit der eine Nassschichtdicke 26 ermittelt wird. Anschließend wird die Schicht 18 zusammen mit dem Substrat 12 einem Trockner 30 zugeführt, der je nach Transportgeschwindigkeit des Substrats 12 eine Länge zwischen etwa 10 m und 30 m aufweist. In dem Trockner 30 verdampft das verwendete Lösungsmittel aus der Schicht 18. Nach dem Trockner 30 kann, je nach Ausführungsform der Vorrichtung, eine weitere Messeinrichtung 24 angeordnet sein, mit der die Trockenschichtdicke 28 ermittelt wird.
Die über die Messeinrichtungen 22, 24 ermittelten Schichtdicken 26, 28 werden zur Regelung der Dicke der Schicht 18 auf eine vorgegebene Soll-Schichtdicke verwendet. Dazu sind die Messeinrichtungen 22, 24 mit einem Schichtdickenregler 42 verbunden. In Abhängigkeit der gemessenen Schichtdicken 26, 28 und der vorgegebenen Soll-Schichtdicke wird im Schichtdickenregler 42 ein Soll-Druck ermittelt.
Je nach Ausführungsform des Verfahrens wird entweder direkt aus dem Soll-Druck ein Steuersignal für das Einstellen des Drucks im Spritzkopf 20 ermittelt (durchgezogene Linie in der 1) oder es wird noch ein unterlagerter Druckregler 62 eingesetzt (gestrichelte Linie in der 1).
Neben der Anpassung des Drucks ist es in weiteren Ausführungsformen der Erfindung denkbar, als weitere Prozessparameter den Abstand des Spritzkopfs 20 zum Substrat 12, die Transportgeschwindigkeit des Substrats 12 und die Geometrie der im Spritzkopf 20 verwendeten Düsen anzupassen. Des Weiteren ist es denkbar, als Parameter die Zusammensetzung der Slurry, also die Zusammensetzung des Materials, mit dem das Substrat 12 beschichtet wird, zu verändern. Durch eine geänderte Zusammensetzung kann die Viskosität der Slurry beeinflusst werden, die wiederum einen Einfluss auf die erzielte Schichtdicke hat.
Nach dem Auftragen und Trocknen der Schicht 18 kann das Substrat 12 einer weiteren Beschichtungsvorrichtung zugeführt werden, um auch die Rückseite zu beschichten.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spritzkopfs.
In 2 ist ein Spritzkopf 20 schematisch dargestellt. Der Spritzkopf 20 umfasst eine Vielzahl von Düsen 32, in der in 2 dargestellten Ausführungsform sind fünf Düsen 32 eingezeichnet. Das zu beschichtende Material tritt durch die Düsen 32 aus und wird als Schicht 18 auf ein Substrat 12 aufgetragen. Das Material wird den Düsen 32 über einen Zuführbereich 34 zugeführt, der über ein Druckregelventil 36 mit einem Druckbehälter 38 verbunden ist. In dem Druckbehälter 38 wird unter Druck stehendes Beschichtungsmaterial vorgehalten, welches wiederum durch eine Fördereinrichtung 40 in den Druckvorratsbehälter 38 gelangt.
Zum Einstellen des Drucks des Beschichtungsmaterials im Spritzkopf 20 wird bevorzugt das Druckregelventil 36 betätigt. Dies kann beispielsweise über einen Aktor geschehen, dessen Stellposition durch ein Steuersignal beeinflusst werden kann. Des Weiteren ist es denkbar, zusätzlich oder alternativ zu einer Beeinflussung des Druckregelventils 36 die Fördereinrichtung 40 zu steuern.
3 zeigt ein Schema einer Schichtdickenregelung.
In 3 ist ein Schichtdickenregelsystem mit einem Schichtdickenregler 42 dargestellt. Der Schichtdickenregler 42 umfasst einen ersten Regelkreis 50 zur Regelung der Schichtdicke. Der erste Regelkreis erhält als Eingangsgrößen eine Differenz aus der Sollschichtdicke d₀ und der tatsächlich gemessenen Schichtdicke d₁. Das Bilden der Differenz ist in der 3 mit einer Verknüpfung 54 angedeutet. Der Regelkreis 50 ermittelt aus dem Eingangswert einen Sollwert p₀ für den Druck, mit dem das Material dem Spritzkopf zugeführt wird. Dieser Sollwert p₀ dient als Steuersignal für ein Stellglied 58, welches beispielsweise als Aktor für ein Druckregelventil ausgeführt sein kann. Weist die Schichtdicke d₁ einen Wert auf, der unter ihrem Sollwert d₀ liegt, ermittelt der erste Regelkreis 50 einen höheren Drucksollwert p₀. Das Druckregelventil wird daraufhin über den angesteuerten Aktor weiter geöffnet, um den Arbeitsdruck für das Material im Spritzkopf zu erhöhen. Als Folge der Druckerhöhung wird sich dann eine Erhöhung des tatsächlichen Beschichtungsdrucks p₁ einstellen, so dass das Beschichtungssystem 60 das Substrat mit einer größeren Schichtdicke versehen wird.
In 4 ist das Schema eines Schichtdickenreglers mit unterlagertem Druckregler dargestellt.
Der in 4 dargestellte Schichtdickenregler 42 umfasst einen ersten Regelkreis 50 zur Regelung der Schichtdicke. Der erste Regelkreis 50 kann beispielsweise als PID-Regler, PI-Regler oder als einzelner P- oder I-Regler implementiert sein. Als Eingangsgröße wird dem ersten Regelkreis 50 eine Differenz aus der Soll-Schichtdicke d₀ und der gemessenen tatsächlichen Schichtdicke d₁ zugeführt. Das Bilden der Differenz ist in der 4 über den Verknüpfungspunkt 54 angedeutet. In der in 4 dargestellten Ausführungsform des Regelkreises 50 wird als Ausgangsgröße kein Absolutwert für den Soll-Druck p₀ ausgegeben, sondern nur die gewünschte Druckänderung Δp₀. Um aus der Differenz Δp₀ den Drucksollwert zu erhalten, wird in Abhängigkeit der Soll-Schichtdicke d₀ und gegebenenfalls von dem verwendeten Aktivmaterial über eine Druckvorsteuerung 56 ein Vorsteuerdruck p_V ermittelt. Der Sollwert für den Druck p₀ ergibt sich dann als Summe aus dem Vorsteuerdruck p_V und der Differenz Δp₀. Das Bilden der Summe ist in der 4 wieder mit einer Verknüpfung 54 angedeutet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es auch denkbar, dass der erste Regelkreis 50, wie in der vorherigen Ausführungsform der 3 beschrieben, direkt den Soll-Druck p₀ ausgibt. In diesem Fall wird die Druckvorsteuerung 56 nicht benötigt.
Der erhaltene Solldruck p₀ wird nun an einen unterlagerten Druckregler 62 übergeben. Der unterlagerte Druckregler 62 umfasst einen zweiten Regelkreis 52, dem als Eingangsgröße eine Differenz aus dem Soll-Druck p₀ und dem tatsächlichen Druck im Spritzkopf p₁ zugeführt wird. Das Bilden der Differenz ist wieder mit der Verknüpfung 54 in der 4 angedeutet. Als Ausgangssignal erzeugt der zweite Regelkreis 52 ein Steuersignal für das Stellglied 58 für den Beschichtungsdruck. Daraufhin stellt sich im Beschichtungssystem 60 der Druck p₁ ein.
Wird in dem Schichtdickenregler 42 eine Druckvorsteuerung 56 implementiert, muss durch den ersten Regelkreis 50 aus der Differenz des Schichtdicken-Sollwerts d₀ und der tatsächlichen Schichtdicke d₁ nur ein Korrekturwert ermittelt werden, um den der vorgesteuerte Drucksollwert p_V erhöht oder erniedrigt werden soll, damit die gewünschte Beschichtungsdicke erreicht wird. In diesem Fall bietet es sich an, den ersten Regelkreis 50 als Integral-Regler auszuführen.
Das Vorsehen der Druckvorsteuerung 56 verbessert vorteilhaft die Arbeitspunktunabhängigkeit des Systems, da nur die Abweichungen um den stationären Arbeitspunkt ausgeregelt werden müssen. Des Weiteren ist an der vorgeschlagenen Ausführungsform vorteilhaft, dass der unterlagerte Druckregler 62 den Beschichtungsdruck immer dem vom Schichtdickenregler 42 vorgegebenen Soll-Druck nachführt. Dadurch können zum Beispiel Druckabweichungen, die durch eine Konsistenzänderung des Materials hervorgerufen werden, ausgeregelt werden. Ebenso können Besonderheiten der Druckregelung bei dem Schichtdickenregler 42 unberücksichtigt bleiben, da der Druckregler 62 den Sollwert für beispielsweise die Stellung eines Druckregelventils ermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 102125907 [0006]

Claims

Verfahren zum Nassbeschichten eines Substrats (12), wobei auf dem Substrat (12) eine Schicht (18) mit einem Spritzkopf (20) aufgetragen wird und die Schicht (18) nach dem Auftragen getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Schichtdicke (d₁) der aufgetragenen Schicht (18) vor dem Trocknen gemessen wird und bei einer festgestellten Abweichung von einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke (d₀) der Druck (p₁) des Beschichtungsmaterials im Spritzkopf (20) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anpassung des Drucks (p₁) im Spritzkopf (20) ein Schichtdickenregler (42) verwendet wird, dessen Eingangsgrößen die Soll-Schichtdicke (d₀) und die gemessene Ist-Schichtdicke (d₁) vor dem Trocknen umfassen und als Ausgangsgröße ein Soll-Druck (p₀) für den Spritzkopf (20) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Soll-Druck (p₀) ein Steuersignal für eine Druckregeleinrichtung (58) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schichtdickenregler (42) ein Druckregler (62) für den Druck im Spritzkopf unterlagert wird, wobei der Soll-Druck (p₀) durch den Schichtdickenregler (42) vorgegeben wird und als Ausgangsgröße ein Steuersignal für eine Druckregeleinrichtung (58) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgrößen des unterlagerten Druckreglers (62) den Ist-Druck (p₁) des Spritzkopfs (20) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckregeleinrichtung (58) ein Druckregelventil (36) und/oder eine regelbare Fördereinrichtung für die Materialzufuhr (40) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Schicht ein Aktivmaterial für eine Elektrode einer Batterie ist.
Vorrichtung (10) zum Nassbeschichten eines Substrats (12) umfassend einen Spritzkopf (20) und einen Trockner (30), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Trockner (30) eine Messeinrichtung (22) zur Bestimmung der Nassschichtdicke (26) angeordnet ist und abhängig von der bestimmten Nassschichtdicke (26) der Druck (p₁) des Beschichtungsmaterials im Spritzkopf (20) auf einen durch einen Schichtdickenregler (42) vorgegebenen Sollwert (p₀) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Spritzkopf (20) ein Drucksensor angeordnet ist und über einen Druckregler (62) der Druck auf den vorgegebenen Sollwert (p₀) regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass für das Einstellen des Drucks (p₁) im Spritzkopf (20) ein Druckregelventil (36) vorgesehen ist und/oder eine Fördereinrichtung für die Materialzufuhr (40) regelbar ausgeführt ist.