Intelligente Fertigung von Batteriezellen

Das Zentrum für Digitalisierte Batterie­zellen­produktion des Fraunhofer IPA baut zusammen mit seinen Partnern ein virtuelles Produktions­system für die Batterie­zellen­fertigung auf. Damit können Optimierungs­ansätze vor der Umsetzung in den realen Prozessen und Anlagen erprobt werden.

Wer ein Elektro-Auto fährt, muss sich auf die Batterie verlassen können. Um deren Qualität zu gewähr­leisten, sind bei der Fertigung erhebliche Anstrengungen nötig. Denn in jeder der vielen Batterie­zellen stecken hauchdünne Elektroden, die sehr empfindlich sind. Eine hoch­automati­sierte Fertigung könnte die Fehler noch während der Produktion erkennen und gegensteuern.

Ein Projekt mehrerer Forschungs­institute beschäftigt sich mit den Voraussetzungen einer solchen Zukunfts­fabrik. Beteiligt sind unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Produktions­technik und Automati­sierung IPA das Institut für Werkzeug­maschinen und Fertigungs­technik (IWF) der Technischen Universität Braunschweig, das WBK Institut für Produktions­technik (Karlsruher Institut für Technologie) und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Die Aufgabe ist komplex. Fast jedes Schlagwort, das mit einer modernen Fertigung verknüpft wird, spielt dabei eine Rolle, ob Industrie 4.0, Künstliche Intelligenz oder Digitaler Zwilling.

Das Konzept einer prozess­über­greifenden Produktions­steuerung soll entwickelt, auf virtueller Ebene getestet und prototypisch implementiert werden. Dazu müssen Realanlagen und Simulations­modelle an eine IoT-Plattform angebunden werden. Im Projekt werden dazu die IoT-Plattform des Fraunhofer-Spin-offs Virtual Fort Knox (VFK) sowie zwei Eigen­entwicklungen des Fraunhofer IPA eingesetzt: die Kommuni­kations-Middleware Manufac­turing Service Bus (MSB) und der Konnektor zur Maschinenanbindung StationConnector.

Virtuelles Produktionssystem für die Batteriezellenproduktion

Die Experten, die sich an dem Projekt beteiligen, entwickeln zunächst für jeden betrachteten Arbeits­schritt ein Simulations­modell, das diesen Vorgang exakt nachbildet. Die betrachteten Prozess­schritte sind die Elektroden­beschichtung (ZSW), die Zell­assemblierung (wbk), die Elektrolyt­befüllung (IWF) sowie die Formierung (IPA). Anschließend führen sie die verschiedenen Einzelmodelle auf der überge­ordneten digitalen Plattform, dem ViPro-System, zusammen. So besitzen sie ein virtuelles Bild der gesamten Fertigung. Das klingt einfach, ist aber nur schwer zu verwirklichen. Im Wege stehen etwa unter­schiedliche Steuerungs­protokolle der Maschinen, die es zu übersetzen gilt, oder unter­schiedliche Modell­schnitt­stellen.

Im Rahmen des virtuellen Produktions­systems haben die Experten eine generelle, semantische Beschreibung der Modelle sowie spezifische Konzepte und Implemen­tierungen für die Einzel­modelle erstellt. Für die Kommunikation innerhalb des ViPro-Systems ist die VFK-Plattform zur Vernetzung der Standorte und Einzel­komponenten instanziiert worden. Zudem wurde die Kommunikations­lösung der Anlagen auf Basis der Anforderungen an Kommunikation und Schnitt­stellen spezifiziert.

Für das Datenmanagement entwickelte das Fraunhofer IPA innerhalb des ViPro- Systems die Datenbank­lösung Semantic Database Query Engine, die eine Kombination aus Zeitreihen­datenbank, z.B. für Sensor­daten, und Graph­datenbank, z. B. für vernetzte Daten, der Modelle ermöglicht. Die Kommunikations­struktur und Schnitt­stellen zwischen den Einzel­komponenten wurden entwickelt, in der Plattform implementiert und erfolg­reich getestet. Das Kommunikations­verhalten mit den Anlagen testeten und validierten dafür entwickelte und eingesetzte Emulatoren.

Die Konzeptionierung der übergreifenden System­architektur mit den Elementen der prozess­übergreifenden Produktions­steuerung sowie des intelligenten Betriebs­leitsystems erfolgte auf Basis einer Anforderungs­analyse. Die zur Implementierung der prozess­übergreifenden Produktions­steuerung notwendigen modell­übergreifenden Parameter wurden ausgehend von einer Parameter­liste und der Input-Output-Beziehung der Modelle festgelegt. (Quelle: Fh.-IPA)

Bild: ViPro-System mit Kommunikationsschnittstellen zu virtuellen Simulationsmodellen und realen Anlagensteuerungen. (Quelle: Fraunhofer IPA, Rainer Bez)

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