【Углубленный анализ】Прецизионное применение машины для резки пленки в области сепараторов литиевых аккумуляторов: как достичь точности резки ± 1 мкм

Литий-ионные аккумуляторы – основа современной новой энергетической эры, и производительность сепаратора напрямую связана с безопасностью, плотностью энергии и сроком службы аккумулятора. Производство сепараторов – чрезвычайно точный процесс, в котором продольная резка является ключевым этапом резки широкой исходной плёнки в рулон заданной ширины, а требования к её точности достигли практически высочайшего уровня ±1 мкм (микрон). Это достигается благодаря системному проектированию, сочетающему в себе машиностроение, материаловедение, автоматическое управление и сенсорные технологии.

1. Почему резка сепаратора литиевого аккумулятора требует такой высокой точности?

Понимание «почему» является предпосылкой для понимания «как». Требование точности ± 1 мкм не беспочвенно, а определяется функцией сепаратора и процессом изготовления аккумулятора:

1. Обеспечение безопасности аккумулятора: основная функция сепаратора — изолировать положительный и отрицательный электроды для предотвращения коротких замыканий, а также закрывать отверстие для блокировки тока при перегреве. Заусенцы, пыль или дефекты кромок, возникающие в процессе резки, могут повредить мембрану, что может привести к микрокоротким замыканиям и даже тепловому разгону во время зарядки и разрядки аккумулятора, что представляет серьёзную угрозу безопасности.

2. Повышение плотности энергии аккумулятора: В намотанных или ламинированных элементах ширина сепаратора должна точно соответствовать ширине положительного и отрицательного электродных пластин. Слишком широкая диафрагма расходует пространство и снижает плотность энергии; слишком узкая диафрагма не может полностью изолировать положительный и отрицательный полюса, что приводит к короткому замыканию на краю. Точность ±1 мкм является необходимым условием для максимального использования внутреннего пространства аккумулятора.

3. Высокоскоростная автоматизированная сборка: современные линии по производству аккумуляторов работают непрерывно и на высокой скорости. Режущий рулон мембраны должен обеспечивать очень высокую точность намотки (т.е. «метры перемотки»), в противном случае на следующем автоматическом намотчике будут часто возникать такие проблемы, как сбой коррекции и обрыв ремня, что серьёзно скажется на эффективности производства и производительности.

2. Основные технические барьеры и решения для достижения точности резки ± 1 мкм

Чтобы достичь этой исключительной точности, необходимо преодолеть следующие пять основных барьеров и предоставить соответствующие лучшие решения:

Барьер 1: Чрезвычайно стабильная система контроля натяжения

Процесс продольной резки представляет собой динамичный процесс, включающий разматывание, вытягивание, резку и намотку. Небольшие колебания натяжения могут привести к дрожанию и деформации ленты, что напрямую снижает точность резки.

•Решение:

◦ Полностью замкнутый контур сервоуправления натяжением: для прямого привода роликов используется высокочувствительный серводвигатель, заменяющий традиционную магнитопорошковую муфту/тормоз. Система определяет фактическое натяжение в режиме реального времени с помощью датчика натяжения, сравнивает его с заданным значением и мгновенно регулирует выходной крутящий момент серводвигателя с помощью ПИД-алгоритма, обеспечивая точную настройку натяжения с точностью до миллиньютона (мН).

◦ Многоступенчатое управление зонами натяжения: разделяет весь путь резки на несколько независимых зон управления натяжением, таких как зона размотки, зона тяги, зона резки и зона намотки. «Плавающие» или «танцующие» ролики используются в качестве амортизаторов и датчиков между зонами для обеспечения плавных переходов и разделения натяжений, чтобы избежать взаимного влияния.

◦ Регулировка натяжения конуса: при намотке, по мере увеличения диаметра катушки, поддержание постоянного натяжения приводит к сжатию и деформации внутренней плёнки. Система должна автоматически снижать натяжение в соответствии с заданной кривой (конусностью) в зависимости от изменения диаметра катушки, чтобы обеспечить постоянную плотность намотки и исключить эффект «капустного сердца».

Барьер 2: Наномасштабная динамическая система наведения (EPC)

Лента неизбежно будет давать отклонения на уровне микронов во время высокоскоростной работы, и их необходимо корректировать в режиме реального времени.

•Решение:

◦ Высокоточный датчик: используется ПЗС-камера (прибор с зарядовой связью) или лазерный сканирующий датчик с точностью обнаружения ±0,1 мкм. Он фиксирует положение края ленты или проволоки в режиме реального времени.

◦ Высокоскоростной и высокоточный привод: датчик передаёт сигнал положения на контроллер, который немедленно приводит в действие линейный двигатель или механизм коррекции с пьезоэлектрическим керамическим приводом. Линейный двигатель обладает высокой скоростью отклика и точностью позиционирования, а также может быть настроен на микронный уровень за миллисекунды, гарантируя, что лента всегда будет следовать заданной абсолютной траектории.

Барьер 3: сверхточная система продольной резки

Инструмент — это часть, которая непосредственно осуществляет резку, и его состояние определяет качество реза.

•Решение:

◦ Конструкция и материал инструмента: используется метод продольной резки дисковым резцом. Верхние и нижние режущие головки изготовлены из высокопрочной легированной стали или керамики, отшлифованной сверхточным способом. Острота, круглость и прямолинейность режущей кромки должны достигать микронного уровня. Отклонение торца и радиуса инструмента должны строго контролироваться в пределах 1 мкм.

◦ Управление контактом инструмента: перекрытие и зазор между верхним и нижним лезвиями являются основными параметрами. Благодаря высокоточным сервоприводам и замкнутым системам управления эти два параметра можно регулировать и фиксировать в режиме реального времени на микронном уровне для адаптации к различным толщинам и материалам диафрагм, достигая «чистого и аккуратного» среза вместо «разрывов» или «сдавливания», что исключает образование заусенцев и пыли.

◦ Осмотр и очистка ножей в режиме реального времени: интегрированная система визуального осмотра кромки ножа и вакуумное отсосное устройство для мониторинга состояния кромки ножа в режиме реального времени и удаления образующихся следов мусора.

Барьер 4: Комплексное снижение вибрации и управление температурой

Вибрации самого устройства и колебания температуры окружающей среды снижают точность.

•Решение:

◦ Оптимизация механической конструкции: основание и рама из высокопрочного чугуна обеспечивают хорошее поглощение вибрации и термостабильность. Для обеспечения минимальной вибрации на высоких скоростях критически важные ролики должны быть динамически сбалансированы (класс точности G1.0 или выше).

◦ Контроль теплового расширения: привод, подшипники и другие источники тепла, а также основная рама теплоизолированы. Система охлаждения с постоянной температурой установлена ​​в деталях с особо высокими требованиями к точности (например, держателях инструментов) для контроля колебаний температуры в пределах ±0,5°C и предотвращения дрейфа точности, вызванного тепловым расширением и сжатием.

◦ Изоляция от окружающей среды: Высококачественные машины для продольной резки устанавливаются даже в чистых цехах с постоянной температурой и влажностью и оснащены воздушными плавающими виброизоляционными платформами для полной изоляции от внешних воздействий окружающей среды.

Барьер 5: Интеллектуальная интегрированная система управления

Все эти подсистемы не работают изолированно и требуют мощного «мозга» для совместной работы.

•Решение:

◦ Интегрированная платформа: использование интегрированной системы управления на базе ПК или высокопроизводительного ПЛК, подключение всех сервоприводов, датчиков и исполнительных механизмов через высокоскоростные промышленные шины Ethernet, такие как EtherCAT, для достижения наносекундной синхронизации данных и высокоскоростной выдачи инструкций.

◦ Расширенные алгоритмы: система управления имеет встроенные расширенные стратегии управления, такие как адаптивные алгоритмы, компенсация прямой связи и наблюдатели возмущений, которые могут прогнозировать и компенсировать различные потенциальные возмущения, такие как изменения свойств материала и скачки скорости.

◦ Цифровой двойник и анализ больших данных: путем сбора и анализа данных о работе оборудования, параметров процесса и качества резки в режиме реального времени создается цифровая модель для оптимизации параметров процесса, прогностического обслуживания и прослеживаемости качества, а также для постоянного повышения стабильности и производительности процесса резки.

3. Резюме: Точность — это высшее воплощение возможностей системы.

Для достижения точности резки сепаратора литиевых аккумуляторов ±1 мкм, компания не полагается на какой-то один прорыв в виде «чёрной технологии», а использует высокий уровень интеграции и системной интеграции, сочетающий прецизионную механическую конструкцию, передовые технологии датчиков, высокоскоростные сервоприводы, передовые алгоритмы управления и строгий экологический контроль. Это демонстрирует высочайший технический уровень страны в области высококлассного оборудования с ЧПУ.

Каждое микронное улучшение — это вызов пределам фундаментальной физики, материаловедения и инженерии, и за ним стоят бесчисленные итерации, отладки и инновации. Именно это неустанное стремление к предельной точности закладывает прочную основу для крупномасштабного, высокобезопасного и экономичного производства высокопроизводительных литиевых аккумуляторов, что в конечном итоге способствует бурному развитию всей новой энергетической отрасли.