Optische 3D Deformationsmesstechnik in der Elektromobilität

Ausschlaggebend für den Erfolg und Misserfolg von Elektroautos ist vor allem die Reichweite und die damit verbundene Leistungsfähigkeit der Akkus. Bei der Entwicklung von Akkuzellen steht vor allem die Sicherheit dieses Gesamtsystems an erster Stelle. Optische 3D-Deformationsmessungen helfen dabei wichtige Kenngrößen für die Entwicklung zu bestimmen.

Soll nicht nur die reine Bewegung, sondern auch die Deformation eines Bauteils oder eines Bereiches betrachtet werden, sind punktuelle Informationen nicht immer ausreichend. Im Gegensatz dazu bietet die 3D-Bewegungsanalyse unter Verwendung einer Mustererkennung (Bildkorrelation) die Möglichkeit neben Punkten auch Flächen zu messen. Dies ist besonders hilfreich, wenn im Vorfeld nicht bekannt ist wo genau am Objekt die relevanten Änderungen auftreten. Darüber hinaus liefert die flächenhafte Messung nicht nur Informationen über die Änderung der Oberfläche in allen Achsrichtungen, sondern die daraus abgeleitete lokale Änderung der Fläche, also die Dehnung oder Stauchung.

Quelle: topometric
Quelle: topometric

Untersucht wird in diesem Beispiel wie sich die Zelloberfläche einer „Pouch-Bag-Akkuzelle“ im Lade- und Entladevorgang, als auch unter thermischer Belastung, verhält. Der Fokus liegt dabei auf der gesamten Dickenänderung der Zelle und dem damit zusammenhängenden Bauteilverhalten im Bereich der Ableiter.

Zur Ermittlung der Flächendaten wird auf das Objekt ein stochastisches Muster aufgetragen. Anhand dieses Musters errechnet die Messsoftware unter Anwendung der Bildkorrelation die 3D-Daten der Oberfläche. Dazu wird auf die Zelle ein matt-schwarzer Lack als Grundierung aufgetragen und folgend ein weiß gesprenkeltes Muster aufgesprüht.

Für die Erfassung dieser vorbereitenden Oberflächen eignet sich bestens der ARAMIS SRX-Sensor. Mit einer Auflösung von 12 Megapixeln pro Kamera können gerade bei kleineren Messvolumina sehr hohe Ortsauflösungen erreicht und dadurch die Genauigkeit gesteigert werden. Ein Messvolumen mit den Abmaßen von 260 x 200 x 80mm deckt die zu messende Fläche der Akkuzelle von ca. 160 x 160mm optimal ab.

Montiert auf einer 300mm Basis bildet der SRX-Sensor eine sehr kompakte Sensoreinheit. Das ist speziell bei dieser Messung von Vorteil, da die Oberfläche der Akkuzelle parallel von einer Wärmebildkamera aufgenommen wird. Um in den Kamerabildern einen optimalen Kontrast zwischen der schwarzen Grundierung und den weißen Musterpunkten zu erhalten, wird die Akkuzelle mit speziellen LED-Leuchten ausgeleuchtet. Ein hoher Kontrast ist zwingend notwendig, damit das Muster in den einzelnen Bildstufen eindeutig zugeordnet wird.

Das verwendete Messystem ist zudem in der Lage dynamische Prozesse auch über einen langen Zeitraum aufzuzeichnen. Bei dieser Akkuzellenmessung werden Zeiträume mit einer Dauer von bis zu drei Stunden abgedeckt und alle fünf Sekunden ein Stereobildpaar aufgenommen.

Nach dem Aufbereiten der Daten können diese zum Beispiel hinsichtlich der Dickenänderung analysiert und zur Visualisierung als Falschfarbenvergleich über das Kamerabild gelegt werden. Ein zusätzlicher Export der Oberfläche über die gewünschten Stufen bzw. Zeitabschnitte kann zur weiteren Auswertung in andere Softwarelösungen eingelesen werden. Durch die Kombination der 3D-Oberflächendaten und den Aufnahmen der Wärmebildkamera kann der Temperaturausdehnungskoeffizient für die Akkuzelle bestimmt werden.