DE102020125341A1

DE102020125341A1 - Verfahren zur Bestimmung der Qualität der Beschichtung eines Bauteils, Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020125341A1
Application number: DE102020125341.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Vater; Sebastian Schneider; Julian Hackl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung eines Bauteils, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Bauteils, wobei das Bauteil eine Oberfläche aufweist, welche zur Beschichtung vorgesehen ist;- Untersuchen der Oberfläche mittels hyperspektraler Bildgebung zum Erzeugen zumindest eines HSI-Bildes;- Verwenden des zumindest einen HSI-Bildes in einem Algorithmus zur Vorhersage der Qualität einer Beschichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung eines Bauteils, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie ein Kraftfahrzeug.
Ein Bauteil der in Rede stehenden Art ist beispielsweise ein Gehäuse einer Energiespeichereinrichtung, beispielsweise ein metallisches Gehäuse einer Lithium-Ionen-Batteriezelle. Es ist üblich und aus dem Stand der Technik bekannt, derartige Gehäuse mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung zu versehen. Die DE 10 2012 213 868 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von metallischen Batteriegehäusen, wobei die Beschichtung mittels Zerstäuben eines Lacks, Roll-, Tampon- oder Siebdruck, Tauchlackieren, elektrostatischem Sprühen, thermischem Spritzen mit anorganischen Bestandteilen oder Eloxieren mit anschließender Nachverdichtung/Versiegelung erfolgt. Die Beschichtungsqualität muss in der Fertigung überwacht und dementsprechend geprüft werden. Ein bekanntes Testverfahren zum Prüfen der Haftfestigkeit von Beschichtungen ist der Gitterschnitt nach DIN EN ISO 2409. Hierbei handelt es sich allerdings um kein zerstörungsfreies Prüfverfahren. Dies ist gerade bei teuren Komponenten oder Bauteilen, wie Batteriezellen, besonders problematisch. Zudem ist das Verfahren nicht oder nur schwer automatisierbar.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung eines Bauteils, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie ein Kraftfahrzeug anzugeben, wobei das Verfahren zur Bestimmung der Qualität der Beschichtung insbesondere zerstörungsfrei und schnell realisierbar sein soll, ohne dabei hinsichtlich der Aussagekraft Abstriche in Kauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung eines Bauteils die Schritte:

- Bereitstellen eines Bauteils, wobei das Bauteil eine Oberfläche aufweist, welche zur Beschichtung vorgesehen ist;
- Untersuchen der Oberfläche mittels hyperspektraler Bildgebung (englisch Hyperspectral Imaging, HSI) zum Erzeugen zumindest eines HSI-Bildes;
- Verwenden des zumindest einen HSI-Bildes in einem Algorithmus zur Bestimmung oder Vorhersage der Qualität einer Beschichtung (auf der Oberfäche).

Die HSI kombiniert die Stärken von digitaler Bildgebung und Spektroskopie. So wird für jedes Pixel mit einem hyperspektralen Detektor die Intensitätsverteilung einzelner Wellenlängen aufgenommen. Jedes Pixel eines HSI-Bildes enthält dadurch ein separates kontinuierliches Spektrum. Ein hyperspektrales Bild umfasst deutlich mehr Informationen als ein digitales „normales“ Bild, das in der Regel über drei verschiedene spektrale Kanäle verfügt, nämlich rot, grün und blau. Jedes Objekt ist durch seine ihm eigene spektrale Signatur detektier- und zuordenbar. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die hyperspektrale Bildgebung geeignet ist, die Qualität der Beschichtung eines Bauteils zu bestimmen, insbesondere vorherzusagen bzw. im Voraus zu bestimmen. Hierzu wird mittels einer HSI-Kamera ein Bild aufgenommen, wobei die Bilddaten einem Algorithmus übergeben werden, welcher dahingehend ausgelegt ist, zu berechnen bzw. vorherzusagen, ob es beim nachfoldenen Beschichten zu Problemen kommt, wie beispielsweise einer schlecht haftenden Schicht/Beschichtung. Derartige Probleme können unter anderem auftreten, wenn die Oberfläche verschmutzt ist. Diese „Verschmutzungen“ können dabei so gering sein, dass sie für das menschliche Auge unsichtbar sind. Über die HSI ist mit Vorteil dennoch eine Detektion möglich.
Bei der hyperspektralen Bildgebung wird die orts- und wellenlängen aufgelöste Detektion in verschiedenen elektromagnetischen Bereichen (Spektrum) genutzt: Ultraviolettes Licht (UV), Spektralbereich von 50 nm bis 400 nm, Sichtbares Licht (VIS), Spektralbereich von 400 nm bis 750 nm, Nahinfrarotes Licht (NIR), Spektralbereich von 750 mm bis 2500 nm, Mittleres Infrarot (MIR), Spektralbereich von 2500 nm bis 10000 nm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die hyperspektrale Bildgebung vorliegend im NIR-Spektralbereich, wobei sich ein Bereich von 900-2300 nm als besonders zielführend erwiesen hat. Die laterale Auflösung beträgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform 460 µm pro Pixel, die spektrale Auflösung 7 nm. Die Messfrequenz liegt dabei zweckmäßigerweise bei 50 Hz.
Mit der Qualität der Beschichtung ist vorliegend insbesondere eine Lackhaftung gemeint. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen wird beim Beschichten eine Isolationsschicht, insbesondere eine Lackschicht, aufgebracht, wobei insbesondere ein Isolationslack zur elektrischen Isolierung verwendet wird. Bevorzugte Beschichtungsverfahren sind: Beschichten mittels Zerstäuben eines Lacks, Drucken, Roll-, Tampon- oder Siebdruck, Tauchlackieren, elektrostatisches Sprühen, thermisches Spritzen oder Eloxieren.
Zweckmäßigerweise werden zunächst Referenzwerte für die Lackhaftung bestimmt. Die Referenzwerte der Lackhaftung werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens mittels Gitterschnitttest(s) ermittelt und in Form von Fotos der lackierten und getesteten Oberfläche und den Resultaten des Gitterschnitttests in Form von Gitterschnittkennwerten, beispielsweise zwischen 0 und 3, bereitgestellt. 0 bedeutet hierbei z.B. „in Ordnung“, 3 „nicht in Ordnung“. 1 und 2 können Abstufungen dazwischen darstellen. Der Gitterschnitttest ist, wie eingangs erwähnt, nach DIN EN ISO 2409 normiert. Dabei können Werte zwischen 0 und 5 erreicht werden. Die kleineren Werte stehen für eine gute (Lack-)Haftung, die höheren für eine schlechte (Lack-)Haftung. Die vorgenannte Einteilung zwischen 0 und 3 ist nur beispielhaft zu verstehen. Die Referenzwerte der Lackhaftung bilden mit den zugehörigen HSI-Daten die Grundlage für das Training des Algorithmus.
Der Algorithmus versucht in der Trainingsphase Zusammenhänge zwischen den HSI-Daten und den Referenzwerten zu erkennen (also zu lernen). Diese gelernten Zusammenhänge können anschließend genutzt werden, um die Lackhaftung bzw. Beschichtungsqualität neuer Proben aus den HSI-Messungen vorherzusagen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Verwenden eines Modells des maschinellen Lernens als Algorithmus.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Verwenden eines Random-Forest-Modells als Klassifikationsverfahren.

Da die Zielwerte der Lackhaftung bzw. dem Ergebnis des Gitterschnitts eine ganzzahlige Variable (mit Werten zwischen 0 und 3) sind, handelt es sich um ein Klassifikationsproblem. Das heißt, dass das Modell versucht, dem gemessenen Spektrum bzw. Bild den korrekten Gitterschnittkennwert zuzuordnen. Ein oft auftretendes Problem beim Training von Modellen des maschinellen Lernens ist das sogenannte Over-Fitting, also eine Überanpassung des Modells an die Trainingsdaten. Das Modell kann die Trainingsdaten zwar mit sehr hoher Genauigkeit klassifizieren, versagt aber bei der Klassifikation von neuen Daten, welche sich nicht im Trainingsdatensatz befinden oder befanden. Das Modell hat also keine allgemeinen Regeln zur Klassifikation der Daten gelernt, sondern nur die Trainingsdaten auswendig gelernt. Um dieses Phänomen zu unterbinden gibt es zum einen diverse Methoden beim Training der Modelle, zum anderen ist es wichtig, bei der Validierung von Klassifikationsmodellen die Vorhersagegenauigkeit für neue Datenpunkte zu kennen, um die Güte der Modelle abschätzen zu können. Eine häufig eingesetzte Methode für die Validierung ist die k-fache Kreuzvalidierung. Dabei wird der komplette Datensatz in k-gleichgroße Teildatensätze aufgeteilt. Anschließend werden k-Klassifikationsmodelle trainiert, wobei jeweils einer der k-Datensätze nicht für das Training eingesetzt wird. Auf diesen Datensatz wird das fertig trainierte Modell angewendet und der Zielwert (also hier die Lackhaftung) wird vorhergesagt und mit den Referenzwerten verglichen. Die erhaltenen k-Genauigkeiten können schließlich gemittelt werden und liefern eine gute Abschätzung der Klassifikationsgenauigkeit des Modells für neue Daten. Vorliegend wird zweckmäßigerweise für die Bewertung der trainierten Modelle die Genauigkeit der fünffachen Kreuzvalidierung (k = 5) gewählt.
Für Klassifikationsprobleme existiert eine große Anzahl an Algorithmen. Neben CNNs (Engl. Convolutional Neural Network, CNN) sind vorliegend beispielsweise die Logistic Regression, Random Forest und Support Vector Machine Modelle zu erwähnen. Es hat sich herausgestellt, dass vorliegend insbesondere Random Forest Modelle sehr gute Ergebnisse liefern.
Steht eine ausreichende hohe Menge an Trainingsdaten zur Verfügung, sind vorliegend auch Algorithmen/Modelle aus dem Bereich Deep Learning zielführend.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Erzeugen des HSI-Bildes vor oder nach einer Reinigung der Oberfläche, insbesondere mittels Laserbehandlung.

Das Verfahren hat sich als ausreichend robust erwiesen, beide Varianten zu ermöglichen. Bevorzugt wird das HSI-Bild nach der Reinigung der Oberfläche, welche gemäß einer Ausführungsform über eine Laserbehandlung der Oberfläche durchgeführt wird, aufgenommen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Plasmaaktivieren der Oberfläche, insbesondere nach der Laserbehandlung.

Damit kann die Beschichtungsqualität ggf. noch weiter gesteigert werden. Zweckmäßigerweise erfolgt das Erzeugen des HSI-Bildes noch vor der Plasmaaktivierung, alternativ aber auch danach.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Gezieltes Nachbearbeiten der Oberfläche zur Beeinflussung der Qualität der Beschichtung.

Zweckmäßigerweise können die Informationen, die der Algorithmus liefert, dazu genutzt werden, die noch nicht beschichtete Oberfläche zumindest lokal gezielt nachzuarbeiten, insbesondere beispielsweise (wiederholt bzw. mit einem anderen Verfahren) zu reinigen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Anpassen des Beschichtungsverfahrens in Abhängigkeit der Vorhersage.

Gegebenenfalls kann das Beschichtungsverfahren angepasst, insbesondere geändert oder auch optimiert werden. Damit ist insbesondere eine Anpassung oder Änderung von Beschichtungsparametern gemeint. Alternativ wird das Beschichtungsverfahren aber auch geändert. So wird beispielsweise ein anderes Beschichtungsverfahren verwendet, wie beispielsweise ein Druckverfahren anstatt eines Sprühverfahrens etc.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil ein Gehäuse einer Energiespeichereinheit. Die Energiespeichereinheit ist insbesondere eine Energiespeicherzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Energiespeicherzelle. Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise ein prismatisches Gehäuse aus einem Metallwerkstoff, insbesondere aus einem Aluminiumwerkstoff. Die Gehäuseform ist allerdings nicht auf das vorliegende Beispiel beschränkt, ebenso nicht auf das vorgenannte Material.
Je nach Bauteil kann eine schlechte Haftung der Beschichtung bzw. eine schlechte Lackhaftung unterschiedliche Ursachen haben. Im Falle von Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt oftmals eine Oberflächenverschmutzung durch Elektrolyt vor.
Die Batteriezellen sind durch den Abfüllprozess teilweise mit Elektrolyt verunreinigt, wodurch eine nur geringe Haftung des nachfolgend aufgebrachten Lacks resultiert. Die NIR-Messung ist hier besonders vorteilhaft, da sie empfindlich für chemische Substanzen mit Absorptionsbanden ist. Um die Haftung des Lacks zu erhöhen, wird jede Batteriezelle vor dem Lackieren mittels Laserbehandlung gereinigt/aufgeraut. Das Erzeugen von Bilddaten kann, wie erwähnt, zweckmäßigerweise vor oder nach der Laserbehandlung erfolgen.
Die Erfindung richtet sich weiter auch auf Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines Bauteils und Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung des Bauteils;
- Beschichten oder Nachbearbeiten des Bauteils, abhängig von der Vorhersage.

Mit Vorteil kann damit ein zerstörungsfreies Prüfverfahren in den Herstellungsprozess des Bauteils integriert werden. Durch die gute Automatisierbarkeit beim Einsatz entsprechender Kameratechnik kann das Verfahren auch für eine 100%-Prüfung in der Produktion herangezogen werden.
Zweckmäßigerweise ist das Bauteil ein Gehäuse einer elektrischen Energiespeichereinheit. Das Gehäuse soll zumindest bereichsweise mit einer Isolationsschicht, insbesondere zur elektrischen Isolierung, versehen werden. Das Verfahren umfasst gemäß einer Ausführungsform die Schritte:

- Lackieren des Gehäuses und Messen der Lackschichtdicke;
- Erneutes Lackieren des Gehäuses und Messen der Lackschichtdicke;
- Messen der Hochvoltfestigkeit des Gehäuses.

Mit Vorteil erfolgt die Bestimmung der Qualität der Beschichtung noch vor dem ersten Lackieren des Gehäuses.
Weiter richtet sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug, welches zumindest ein Bauteil aufweist, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Das Kraftfahrzeug ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Kraftrad, ein Nutzfahrzeug oder insbesondere ein Personenkraftwagen. Das Bauteil ist bevorzugt ein elektrisches Bauteil oder eine elektrische Komponente/Baueinheit. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil insbesondere eine Energiespeicherzelle, wie eine (wiederaufladbare) Batteriezelle, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Schwefel-Zelle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012213868 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung eines Bauteils, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Bauteils, wobei das Bauteil eine Oberfläche aufweist, welche zur Beschichtung vorgesehen ist; - Untersuchen der Oberfläche mittels hyperspektraler Bildgebung zum Erzeugen zumindest eines HSI-Bildes; - Verwenden des zumindest einen HSI-Bildes in einem Algorithmus zur Vorhersage der Qualität einer Beschichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: - Trainieren des Algorithmus mittels Gitterschnitttestdaten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt: - Verwenden eines Modells des maschinellen Lernens als Algorithmus.
Verfahren nach Anspruch 3, umfassend den Schritt: - Verwenden eines Random-Forest-Modells als Klassifikationsverfahren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Erzeugen des zumindest eines HSI-Bildes vor oder nach einem Reinigen der Oberfläche.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Gezieltes Nachbearbeiten der Oberfläche zur Beeinflussung der Qualität der Beschichtung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Anpassen des Beschichtungsverfahrens in Abhängigkeit der Vorhersage.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil ein Gehäuse einer Energiespeichereinheit ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Bauteils und Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche; - Beschichten oder Nachbearbeiten des Bauteils, abhängig von der Vorhersage.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bauteil ein Gehäuse einer elektrischen Energiespeichereinheit ist, umfassend die Schritte: - Lackieren des Gehäuses und Messen der Lackschichtdicke; - Erneutes Lackieren des Gehäuses und Messen der Lackschichtdicke; - Messen der Hochvoltfestigkeit des Gehäuses.
Kraftfahrzeug, umfassend zumindest ein Bauteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10.