Vision-System sichert Qualität in der Solarzellenfertigung

Oberflächendefekte wie Kratzer oder Dellen in Solarzellen können deren Effizienz und Lebensdauer verschlechtern. Als entscheidender Faktor des Markterfolges erweist sich zunehmend die hundertprozentige Qualitätskontrolle der einzelnen Zellen und von kompletten Modulen. Ein Solartechnik-Hersteller hat seine Fertigung mit Vision-Sensoren ausgestattet, die in verschiedenen Prozessschritten der Produktion die optische Qualitätkontrolle und das Ausrichten der Zellen übernehmen.

Spitzenproduktion von 600 Zellen pro Stunde

Das italienische Unternehmen 2BG hat seine Erfahrungen aus dem von hohen Anforderungen geprägten Anlagenbau für die Automobilindustrie in den Bereich der Solarzellenfertigung transferiert und fertigt komplette Solarmodule. Eine Tabber-Stringer-Anlage verlötet Solarzellen zu Strings, einer Kette von in Reihe geschalteter Solarzellen, die wiederum zu kompletten Solarmodulen zusammengefügt werden.

Mithilfe von Hochgeschwindigkeitsbestückung, Bildverarbeitung und Infrarot-Lötsystem wird heute die Spitzenproduktion von 600 Zellen pro Stunde erreicht. Die automatisierte Anlage kann nach unterschiedlichen, intern speicherbaren Produktzyklen arbeiten und unterschiedliche Zellgrößen von 100 mm × 100 mm bis 156 mm × 156 mm und Zellgrößen mit unterschiedlichen Dicken von 160 bis 400 µm verarbeiten.

Mit innovativen Techniken hohen Qualitätsstandard sichern

Um den Fertigungsprozess so effizient wie möglich zu gestalten, beschloss das Forschungs- und Entwicklungsteam des Unternehmens, nach innovativen Techniken zu suchen, die den hohen Qualitätsstandard sicherstellen und potenzielle Mängel während der Produktion beseitigen sollen. Von einer mechanischen Lösung im Ausrichten und Zentrieren der Solarzellen nahm man sehr schnell Abstand, weil dies mit hohem Aufwand verbunden gewesen wäre, die Kalibrierung erschwert und die Fertigungsflexibilität stark eineinschränkt hätte.

Darüber hinaus bestand aufgrund des direkten mechanischen Kontaktes die Gefahr, dass die Zellen beschädigt worden wären. Das hätte bedeutet, dass die Solarmodule möglicherweise winzige Oberflächendefekte aufgewiesen hätten und nicht richtig ausgerichtet gewesen wären.

Nach einer vorausgehenden Evaluierungsphase bezüglich des Bildverarbeitungssystems hat der Solarzellenhersteller beschlossen, die In-Sight-Bildverarbeitungssysteme von Cognex zu testen. Die Anwendung wurde auf einem Prototyp der Tabber-Stringer-Anlage installiert. Die dabei erzielten Ergebnisse waren, wie es heißt, derart überzeugend, dass man sich für das Vision-System zur Qualitätskontrolle und Ausrichtung der Zellen entschied.

Automatische Zentrier- und Qualitätsprüfstation mit Bildverarbeitungssystem In-Sight 5400

Mit den Erfahrungen aus der Testversion wurde eine automatische Zentrier- und Qualitätsprüfstation entwickelt, die mit dem Bildverarbeitungssystem aus der Produktfamilie In-Sight 5400 ausgestattet wurde. Diese Sensoren-Familie verfügt über anwendungsspezifische Leistungsabstufungen und kann den Angaben zufolge Aufgaben übernehmen, die bislang PC-gestützten Bildverarbeitungssystemen vorbehalten waren.

In der Applikation Solarzellenfertigung wird eine 2-Megapixel-Kamera eingesetzt: Die In-Sight 5403 mit einem CCD-Chip der Größe 1/1,8“ hat eine Bildauflösung von 1600 × 1200 Pixeln und eine Bildaufnahmefrequenz von 15 Bildern pro Sekunde. Mit dieser Auflösung kann der Sensor für unterschiedlich große Bauteile eingesetzt werden. Die Kamera ist mit einer integrierten Ethernet-Schnittstelle ausgestattet, die über die Entwicklungsumgebung Explorer eine einfache Integration in die Prozesssteuerung ermöglichen soll.

System arbeitet in Aufnahme und Bildanalyse vollkommen autark

Mit dem abgesetzten Kamerakopf und den Abmessungen von 83,3 mm × 123,2 mm × 61,4 mm (mit Objektivschutzabdeckung) kann das System platzsparend installiert werden. Es hat einen C-Mount-Gewindeanschluss und erreicht Verschlusszeiten von 27 μs bis 1000 ms. Das System arbeitet in Aufnahme und Bildanalyse vollkommen autark. Die Beleuchtungssteuerung ist im IP67-geschützten System integriert.

Bei der Fertigung der Solarzellen konnte mit dem Bildverarbeitungssystem der mechanische Kontakt auf ein Minimum reduziert und die Unversehrtheit der Produkte sichergestellt werden.

Von großer Bedeutung soll sich dabei die Zentriergenauigkeit erwiesen haben. Dafür steht das Vision-Tool aus der Bildverarbeitungssoftware Patmax zur Verfügung. Das Werkzeug erschließt hohe Auflösungen der Positionsbestimmung bis in den Subpixelbereich und die Winkelbestimmung von Objekten bis zu 0,02°. Es lokalisiert Objekte den Angaben zufolge auch unter schwierigen Bedingungen wie Veränderungen der Teileabmessung, ungenauer Ausrichtung, wechselnder Beleuchtungsbedingungen, Deformation, Verdeckung oder Spiegelung von Bauteilen oder unregelmäßigen Hintergründen.

Auch die Oberfläche einer Solarzelle ist kein trivialer Prüfgegenstand: Sie gleicht einem Spiegel mit reflektierender Oberfläche. Weil das Suchprinzip gleichzeitig die Kontur und die Struktur des Objektbildes untersucht, sei es unempfindlich gegen reflektierende Oberflächen. So könne das Werkzeug auch bei wechselnden Beleuchtungs- und Kontrastverhältnissen sicher positionieren; die zuverlässige Langzeitleistung sei sichergestellt.

Software In-Sight-Explorer ist einfach zu handhaben

Eine wichtige Rolle für die Handhabung spielt auch die Entwicklungsumgebung. Der In-Sight-Explorer sei einfach zu handhaben. So könne auch das Maschinenpersonal, ohne spezielle Kenntnisse der Bildverarbeitung, die Programmierung neuer Bauteile vornehmen, indem es die Parameter anpasst. Mit dieser Umgebung werden die Sensoren zudem in den Automatisierungsprozess und in die Unternehmenskommunikation eingebunden. Auch ganze Netzwerke von Vision-Sensoren werden damit verwaltet.

Vision-Werkzeug-Bibliothek detektiert Oberflächenmängel

In einem weiteren Schritt des Produktionsprozesses werden die Solarzellen automatisch von zwei Ladevorrichtungen aufgenommen. Der finale String wird auf einem Beleuchtungstisch zur abschließenden Qualitätsprüfung abgelegt. Dank der Vision-Werkzeug-Bibliothek von Cognex ist es möglich, Oberflächenmängel wie kleine Kratzer oder Vertiefungen in der Form oder an den Kanten der Zelle festzustellen. Dadurch können der Verlauf und die einwandfreie Zusammensetzung des Strings verifiziert, fortlaufend dokumentiert und die Produktion zurückverfolgt werden.

Dieses breite Prüfspektrum konnte den Angaben des Anwenders zufolge nur durch die Rechenleistung und Geschwindigkeit der In-Sight-Systeme geschaffen werden. Jede Vision-Station verfügt über optionale Elemente sowie einen mehrsprachigen, interaktiven Touchscreen, der kundenspezifisch konfiguriert werden kann.

Die Produktfamilie der Vision-Systeme ist für den Solartechnikhersteller mittlerweile unerlässlich; für die Sicherstellung der Qualität sei sie unabdingbar. So werden jetzt alle Tabber-Stringer-Maschinen mit Vision-Sensoren ausgestattet.