著者: ダニー・ファン博士
TOBニューエナジー CEO兼研究開発リーダー
概要と重要なポイント
- リチウムイオン製造における欠陥ゼロは、ライン終了時の検査を改善するだけでは実現できません。これは、コーティングのボイドを 0.1 mm の解像度で、タブの折り目を 0.05 mm で、溶接の気孔率を 0.01 mm で検出することで実現されます。各欠陥クラスには、異なるステーションで異なる光学、照明、アルゴリズムが必要です。検査システムはプロセスツールであり、品質ゲートではありません。
- コーティングのボイドと裸の箔: ストロボ照明を使用し、ウェブの全速度で実行したラインスキャン カメラによって最小欠陥サイズ 0.1 mm で検出されます。
- タブの折り目と位置ずれ: タブ位置センサーによってトリガーされるエリアまたはラインスキャン システムにより、0.05 mm の解像度で検出されます。
- 溶接気孔率とスパッタ: 単一の 50 µm の気孔が漏れ経路の原因となる可能性があるため、高倍率同軸イメージングにより 0.01 mm スケールで検出されます。
- 精密ラダー: 0.01 mm ですべてを解決するカメラはラインを遅くします。エンジニアリングのタスクは、各ステーションの解像度を、そこで実際に問題となる最小の欠陥に一致させることです。
陰極コーティングのピンホール (直径 0.2 mm、裸のアルミニウムのスポット) は、検出されずにゼリー ロールに到達します。フォーメーションを通過します。 OCV 検査に合格しています。容量グレーディングに合格しています。それは車両やコンテナに乗り込み、18か月後、その穴を持って生まれた細胞がパックを使用不能にします。欠陥ゼロとは、ラインを停止することなく、コーティングステーションでウェブ速度で平方メートルごとに穴を捕捉することを意味します。
CCD 検査は、そのギャップを埋める学問です。これは、最も頻繁に間違っていると指摘される分野でもあります。エンジニアは、自分が買える範囲で最高解像度のカメラを購入し、問題は解決したと思い込むのです。コントラストのない解像度は役に立ちません。適切な照明がなければコントラストは役に立ちません。また、欠陥分類ロジックがないと、誤った不合格が大量に発生するため、ラインの速度が半分になります。エンジニアリングの仕事は「最高のカメラを手に入れる」ことではありません。それは、各ステーションの各欠陥クラスに検出物理学を一致させることです。
欠陥マップ: 何を、どこで、どのような規模で検出するか
さまざまなステーションでさまざまな欠陥が発生し、それぞれに独自の検出アプローチが必要です。以下の表は、典型的なリチウムイオン電極と組立ラインの参考マップです。
| 欠陥クラス | で生まれた | 検出対象サイズ | ステーション/トリガー | 検出物理学 |
|---|---|---|---|---|
| コーティングボイド/裸箔 | コーティングドライヤー出口 | 0.1mm以上 | フルウェブラインスキャン | コントラスト: 金属の反射率とコーティングの拡散率 |
| 膜厚ストライプ | コーティングダイ | ±1%の局所変動 | フルウェブラインスキャン+面ゲージ | グレースケールプロファイル + X線クロスチェック |
| エッジコーティングバリ・オーバーハング | スリッティング | 0.3mm以上 | スリッター出口、ウェブ上＋下 | 両面ラインスキャン、エッジトリガー |
| タブ折れ・破損 | 積み重ねる・巻く | 0.05mm以上 | ポストスタック、タブトリガー | 構造化光または高解像度エリアスキャン |
| タブ溶接気孔率 | タブ溶接 | 0.01mm以上（細孔） | 溶接ステーション、同軸 | 同軸撮像 + バックライト |
| 溶接スパッタ・パーティクル | タブとキャップの溶接 | 0.05mm以上 | 溶接出口 | 暗視野照明+ラインスキャン |
| セパレータのシワ・破れ | 積み重ね・挿入 | 0.1mm以上 | ポストスタック | 透過照明 |
| キャップ溶接シーム欠陥 | トップキャップ溶接 | 0.1mm以上 | 溶接出口 | 同軸モニタリング + 構造化光 |
パターン: コーティング欠陥は 0.1 mm、タブレベルの欠陥は 0.05 mm、溶接気孔率は 0.01 mm で動作します。解決ラダーは任意ではありません。これは故障の結果から導き出されます。0.1 mm の裸箔スポットは、リチウム メッキを促進する局所的な電流密度スパイクです。 0.05 mm のタブの亀裂が成長して開回路になります。キャップ溶接部の 0.01 mm の細孔は、長年にわたって湿気が侵入する漏れ経路となります。
ステーション 1: コーティングと乾燥 - ボイドと裸の箔の捕捉
コーティングされたウェブは工場における単一材料への最大の投資であるため、コーティングでは最も価値の高い検査が行われます。コーティングの欠陥が見逃されると、電極領域全体がスクラップになったり、さらに悪いことに現場での故障につながります。
欠陥の物理学。裸の箔は、コーティングが付着していないか、または堆積していない領域です。金属表面は鏡面であり、反射率が高くなります。コーティングは拡散します。斜めの低角度照明を使用したラインスキャン画像では、裸の箔が暗いコーティングに対して明るいスポットとして表示されます。同軸拡散照明の下では、コントラストが反転または消失します。したがって、最初に仕様を決定するのは照明の選択であり、カメラの解像度ではありません。
解像度要件。実際の検出対象は最小0.1mmです。電極は最大 1,600 mm のウェブ幅、最大 80 m/min の速度でコーティングされます。 1,600 mm 全体で解像度 0.1 mm の単一ラインスキャン カメラには、1 ラインあたり約 16,000 ピクセルが必要です。 80 m/分で、これは 13 kHz に近いライン速度です。これらの速度では、複数のカメラまたは時間遅延統合 (TDI) センサーが一般的です。エンジニアリング上のトレードは、カメラ数、照明電力、コンピューティング スループットの間で行われます。
誤検知管理。コーティングラインでは、エッジビード、コートウェイトストライプ、および乾燥による時折の光沢の変化が発生します。アルゴリズムはこれらを欠陥ではなくプロセスの特徴として分類する必要があり、そうでない場合、検査システムはすべてのリールの半分を拒否します。分類モデルは、その特定のコーティング配合および乾燥プロファイルに基づいて校正されます。NMC でトレーニングされたシステムは、再トレーニングなしでは LFP に移行しません。
0.1 mm の目標は保守的ではありません。0.1 mm では、生産速度でボイドを検出できます。小さな欠陥は停止したラインでも検出できますが、20 ～ 80 m/min の速度では、確実にトリガーするには、光学、照明、および計算チェーンが欠陥特徴ごとに 2 ～ 3 ピクセルを解決する必要があります。 0.1 mm 未満では、S/N 比が高速での実際の検出を下回ります。ここでは、X 線面積ゲージが平均荷重を引き継ぎ、CCD が個別の欠陥を処理します。
ステーション 2: タブの処理 - 折り目と位置のズレを捉える
タブ折りはサイレントキラーです。折り畳まれたタブは、セパレータ層の間に挟まれた導電性金属の二重層です。積み重ね、挿入、さらには形成にも耐え、サイクリング中に局所的な加熱点を生成する可能性があります。たとえ溶接自体が許容範囲内に見えたとしても、折り畳まれたタブの溶接品質は信頼できません。
物理。折り畳まれたタブは、目に見える折り目を持つ 2 つの金属表面を重ねて表示します。検出は 2 つの信号に依存します。幾何学的信号 (タブが予想より短く見える、またはそのプロファイルに段差がある) と視覚信号 (折り目は指向性照明の下で高コントラストの線として表示されます) です。構造化光または高解像度エリアスキャンイメージングにより 3D 変化をキャプチャします。ラインスキャン システムが 2D 折り目をキャプチャします。
解像度要件。目標は0.05mmです。タブは小さいため (通常は幅 10 ～ 40 mm)、カメラの数を過剰に増やすことなくカメラの視野を狭くして解像度を高くすることができます。トリガーはステーションのタブ位置センサーから発生します。カメラはタブが存在する場合のみキャプチャします。トリガーの精度が重要です。カメラの発射が 2 mm 早いか遅い場合、タブがフレーム内にまったく収まらない可能性があります。
一般的な故障モード。正しく指定されているにもかかわらず、正しくトリガーされていないビジョン システム。タブ トリガーは、最初の記事の実際の画像を記録して確認し、製品が変更されるたびに検証する必要があります。 「先月は動作していた」システムでも、フィクスチャの数十分の一ミリメートルのドリフトの後、静かにタブを見逃す可能性があります。
ステーション 3:レーザー溶接-継ぎ目で0.01mmの空隙をキャッチ
溶接検査では、欠陥の見逃しの結果としてセルが非密閉状態になるため、ライン全体で最高の解像度が必要です。角柱状セルのキャップ溶接部は、およそ 760 mm の連続した継ぎ目です。円筒形のセルでは、セルごとに数十のタブ溶接が行われます。それぞれ例外なく検査する必要があります。
物理。溶接気孔は、反射金属フィールド内に小さな暗いピットとして表示されます。スパッタは、継ぎ目の近くで盛り上がった粒子または付着した粒子として現れます。どちらも拡散光ではコントラストが低く、暗視野または同軸照明ではコントラストが高くなります。最良の溶接検査システムは、溶接池の同軸イメージングと完成したシームの溶接後の暗視野イメージングを組み合わせたものです。
解像度要件。気孔率検出のターゲットは0.01mm～10μmです。これは電極検査よりも 10 倍細かく、視野が狭い高倍率光学系か、溶接ヘッド内からの同軸モニタリングのいずれかが必要です。 0.01 mm では、システムはフレームごとにはるかに小さい領域を検査します。そのため、溶接検査は溶接が移動している間に実行され、別個のコンベアインデックスではなく溶接パスによってトリガーされます。
検出の制限。表面下の多孔性を確実に検出できる視覚システムはありません。完全に閉じた溶接シームは、X 線または CT だけが確認できる内部空隙を隠すことができます。 CCD 検査は最初のフィルターであり、表面破壊および表面近くの欠陥を迅速に検出します。残りは X 線または超音波検査でサンプリングされます。ゼロ欠陥戦略では、100% 検査でのインライン CCD と、プロセス検証のためのサンプリングベースでの X 線または CT の両方を組み合わせます。
精密ラダー: 重要な欠陥に合わせた解決策
最も一般的な仕様エラーは、ライン全体に対して 1 つの解像度を選択することです。 0.01 mm システムを電極検査に適用すると、カメラ数と計算負荷が 4 倍になり、ライン速度が半分になります。溶接検査に適用される 0.1 mm システムは、重要な欠陥をすべて見逃します。
正しいアプローチは高精度ラダーです。
| 駅 | 欠陥の結果 | 関連する最小の欠陥 | 指定された解像度 |
|---|---|---|---|
| 塗布・乾燥 | 局所電流スパイク、メッキ | 0.1 mm | 0.1 mm |
| スリッティングエッジ | バリ、セパレータの穴あき | 0.3 mm | 0.2 mm |
| 積み重ねる・巻く | タブ折り、位置ずれ | 0.05 mm | 0.05 mm |
| タブ溶接 | 開回路、抵抗ドリフト | 0.05 mm スパッタ。気孔率0.01mm | 溶接部0.01mm |
| キャップ溶接 | 湿気の侵入、漏れ | 0.01mm孔 | 縫い目0.01mm |
| 最終組み立てビジュアル | 表面的および重大な欠陥 | 0.1 mm | 0.1 mm |
はしごはエンジニアリング予算として適用されます。溶接シームでは 0.01 mm ですが、コーティング ステーションでは 0.1 mm を分解するシステムでは、適切な場所に適切な価格で適切なカメラが使用されます。また、コンピューティング負荷を現実的な制限内に保ちます。0.01 mm システムをウェブ幅全体とフルスピードで使用すると、実際の処理パイプラインが消費できるよりも速くデータが生成されます。
A vs B: ルールベースのビジョン vs. AI 分類
バッテリー検査は 2 つのアルゴリズムの哲学が支配的です。
ルールベースの検査固定しきい値、ブロブ分析、および幾何学的測定を使用します。決定的で高速かつ簡単に検証できます。欠陥が明確に定義され、欠陥の特徴が安定している場合に優れています。穴は特定の領域の暗い領域です。折り目は、特定の長さを超える高コントラストの線です。製品のコーティングの質感、照明の変動、エッジの形状などの自然な変化が欠陥に似ている場合は失敗します。
AI分類良品領域と欠陥領域のラベル付き画像でトレーニングされた深層学習モデルを使用します。変動を適切に処理し、複雑な欠陥の兆候に適応します。これにはトレーニング データが必要で、プロセスが変更されると引き続き再トレーニングが必要になり、拒否に異議が申し立てられた場合は透明性が低くなります。
| 要素 | ルールベースのビジョン | AIの分類 |
|---|---|---|
| 決定論 | 完全に決定的 | 確率的 |
| 検証 | 率直な | ホールドアウト テスト セットが必要 |
| ベストフィット | 空隙、ひだ、全体的な形状 | 微妙な質感、複雑なパターン |
| 新しい化学への適応 | 手動のしきい値調整が必要 | データセットの再トレーニングが必要です |
| 安定したプロセスでの不合格率 | 低い | 低い |
| ドリフトプロセスにおける本人拒否率 | 急上昇 | より安定した |
実際的な答えはハイブリッドです。つまり、欠陥の特徴が変化する場合の検出と分類のための AI です。決定が監査可能でなければならない場合の測定と拒否のルール。どちらも同じラインスキャン プラットフォーム上で実行されます。
エンジニアリングに関する洞察:
すべての検査システムはプロセス ツールであり、品質ゲートではありません。欠陥マップは、欠陥を生じたステーションにフィードバックする必要があります。コーティングボイドクラスターは、ダイシムまたはポンプパルスにまで遡ります。タブ折りのクラスターは、スタッキング ガイドの位置ずれに遡ります。検査データがパス/フェイルで停止している場合、欠陥は捕捉されますが、プロセスは修正されません。 TOB New Energy は欠陥マップとステーション パラメータを統合しているため、ライン チームは「1,342 m での欠陥」だけでなく、「1,342 m での欠陥は 30 秒前の 0.2 bar のポンプ圧力低下と相関している」ことがわかります。
欠陥ゼロはシステムの特性であり、カメラの特性ではありません
CCD システムだけでは欠陥がゼロになることはありません。完全なチェーンは 4 つの部分で構成されます。
- 検出各欠陥クラスに適切な解像度とコントラストで。
- 分類これにより、真の欠陥をプロセスのばらつきから分離し、誤った拒否を低く抑えます。
- アクションこれは、影響を受けたセルまたは電極セクションを同じサイクル内のラインから排除します。
- フィードバック欠陥の傾向を管理図の上流のプロセスパラメータに結び付けます。
どれか 1 つの部品が欠けていると、誰も使用しないデータを生成するカメラのラインが残されてしまいます。投資が報われるのは、検査データによってプロセスへのループバックが終了した場合のみです。
受け入れテストに関する最後の注意事項。カメラの解像度とフレーム レートは必要ですが、調達には十分ではありません。仕様では、各クラスのベア箔スポットの 0.1 mm の既知の欠陥、0.05 mm のタブの折り目、0.01 mm の溶接孔 - 既知の位置に植え付けられ、生産速度で測定された検出率などの性能試験が必要です。トライアルに合格したシステムは、データシートではなくシステムです。この完全な検査範囲 (共有データ アーキテクチャを備えた 1 つのプラットフォーム上のコーティング、タブ、溶接ステーション) は、保護するコーティングおよび溶接ステーションと並行して設計された、電極および溶接欠陥検出用のバッテリー CCD 検査システムを通じて提供されます。
FAQ: リチウムイオンラインにおける CCD 検査
バッテリーの電極検査にはどの程度の分解能が必要ですか?
生産速度で全幅ウェブ上のボイドとベアフォイルをコーティングする場合の最小欠陥サイズは 0.1 mm。より小さな特徴は停止したウェブ上でも解像できますが、20 ～ 80 m/min で信頼性の高い検出を行うには、実際のターゲットとして 0.1 mm が必要です。
溶接検査に 0.01 mm の分解能が必要なのはなぜですか?
キャップやタブの溶接部にある 0.1 mm 未満の表面破壊細孔が、セルの寿命にわたって漏れ経路となるためです。 50 μm の孔は表面上の欠陥ではありません。それは気密性のリスクです。そのため、溶接検査は電極検査よりも一桁細かく行われます。
CCD検査はヘリウムリーク検査に代わるものでしょうか?
いいえ、CCD は表面を破壊する気孔、スパッタ、継ぎ目の欠陥を高速で捕捉します。完全に囲まれた表面下の空隙は光学検査では見えません。この 2 つは補完的です。100% インライン溶接検査用の CCD、100% の気密性検証用のヘリウム リーク テスト、および表面下のプロセス制御用の X 線サンプリングです。
バッテリービジョンシステムで誤検知が最も多く発生する原因は何ですか?
照明の不安定性と制御されていないプロセスの変動 - コーティングの光沢の変化、乾燥ゾーンのシフト、ウェブのフラッター。照明アーキテクチャを修正してプロセスを安定させることは、カメラの解像度を上げるよりも効果的に誤検知を削減します。
検査モデルはどのくらいの頻度で再トレーニングする必要がありますか?
製品が変更されるたびに、新しいコーティング配合、電極形状、溶接スタックが変更されます。ルールベースのしきい値は再検証が必要です。 AI モデルには新しいラベル付きデータが必要です。検査検証を含む切り替え手順により、フォーマット変更後にシステムがサイレントに欠陥を見逃すことがなくなります。
TOB New Energy プロセス エンジニアリング グループによって、電極コーティング、タブ溶接、セル組立ラインでの画像検査導入から編集された技術リファレンス。特定の電極および溶接形状に関する欠陥クラスの検出研究については、LinkedIn で Dany Huang 博士に連絡するか、厦門ビジョン研究所にサンプル欠陥を提出してください。
