Aufbau eines agilen Produktionssystems für die format-, material- und stückzahlflexible Pouch-Zellen-Produktion

AgiloBat2

Aktuelle Produktionssysteme sind nicht in der Lage, verschiedene Formate, verschiedenste Materialien oder gar in variablen Stückzahlen zu fertigen. Sie produzieren standardisierte Zellen, welche zwar eine hohe Qualität aufweisen, aber nicht spezifisch an Kundenwünsche angepasst sind – ganz im Gegenteil, die Kunden passen ihre Wünsche dem angebotenen Produktportfolio an. Für kleine bis mittlere Serien ist eine Anpassung der Energiespeicher an das Produkt jedoch vorteilhaft. Eine wirtschaftliche Möglichkeit, solche Zellen zu produzieren, besteht derzeit noch nicht.

Gemeinsam mit dem Schwesterprojekt „AgiloBat“ findet in „AgiloBat2“ eine ganzheitliche Entwicklung der Zelle als spezifizierbares Produkt statt. Die Kundenanforderungen werden dabei in ein Produktdesign übersetzt, aus dem Produktdesign wird wiederum das optimale Anlagen- und Prozessdesign abgeleitet. Der Hauptfokus im Projekt „AgiloBat2“ liegt auf der Entwicklung der flexiblen, skalierbaren und vollautomatisierten Produktionsanlage samt Microenvironments als Ersatz für große Trockenräume und ihrer Anbindung an eine übergeordnete Datenbank zur Qualitätssicherung und Nachverfolgbarkeit der Produkte. Mit einer durchgehenden Modularisierung wird sichergestellt, dass das Produktionssystem AgiloBat technologieoffen, erweiterbar, wandelbar und somit zukunftssicher ausgestaltet wird.

Die insbesondere in der Kleinserienfertigung oder im ramp-up notwendige, flexible Fertigung von Batterien lässt sich aufgrund der starren Verkettung nicht auf konventionellen Produktionslinien realisieren. Dies führt zu einem von den Zellherstellern getriebenen Markt, in dem eigens spezifizierte Zellen mit kleiner und mittlerer Stückzahl nicht verfügbar sind. Daher wird im Projekt AgiloBat2 ein agiles Produktionssystem für die Batteriezellfertigung entwickelt, physisch aufgebaut und mittels Zelltests validiert. Dieses Produktionssystem besteht aus modular aufgebauten Roboterzellen, die zur Verarbeitung feuchteempfindlicher Batteriematerialien als Microenvironments ausgeführt werden. Das System ist vollautomatisiert und durch die Verwendung der als lokale Trockenräume ausgeführten Microenvironments (siehe Abbildung 1) wird der Energiebedarf gegenüber der klassischen Linienfertigung in großen klimatisierten Hallen gesenkt. Weiterhin ist das System durch Zu- oder Wegnahme von weiteren Roboterzellen skalierbar und kann so an die zu fertigenden Stückzahlen angepasst werden. Zur Planung der optimalen Konfiguration der agilen Batteriezellfertigung entsteht ein Digitaler Zwilling des Produktionssystems in der Software „Plant Simulation“. Die Roboterzellen sind mit Produktionsmodulen bestückt, welche die einzelnen Prozessschritte abbilden. Diese sind dabei so ausgelegt, dass sie entsprechend der aktuellen Nachfrage schnell umprogrammiert werden können, um z. B. ein neues Zellformat zu fertigen. Dadurch können Rüstzeiten bei Format- oder Materialwechsel vermieden bzw. verkürzt werden. Zur Qualitätssicherung und Reduzierung des Ausschusses sind die Anlagen per OPC UA mit einer Datenbank verbunden, in der sowohl Produktdaten als auch die realen Prozess- und Qualitätsparameter abgespeichert werden.

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Förderkennzeichen

• Stand der Technik
• Ausgewählte Ergebnisse
• Transferangebot an die Industrie

Die klassische Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion entspricht nach dem Stand der Technik einer konventionellen Transferstraße, bei der alle Prozessschritte von Herstellung der Pasten bis hin zum Formieren der Batteriezellen starr verkettet und an eine feste Taktzeit gebunden sind. Dadurch sind diese Produktionssysteme in der Lage, hochproduktiv bei gleichzeitig geringen Kosten zu produzieren. Eine Anpassung von Prozessen, um auf sich ändernde Eingangsbedingungen (bspw. anderes Zellformat oder andere Materialzusammensetzung) reagieren zu können, ist in den Eigenschaften einer konventionellen Transferstraße nicht abbildbar. Dies führt bei solchen Änderungen der Eingangsgrößen schnell zu sehr kostenintensiven Anpassungen der Produktionslinien. Darüber hinaus sind konventionelle Transferstraßen nicht in der Lage, auf eine sich ändernde Nachfrage des Marktes zu reagieren, da das Linienlayout dieser Transferstraßen für einen bestimmten Produktionsoutput geplant wurde und sich nicht mehr im Nachhinein ändern lässt. Klassische Produktionssysteme von Lithium-Ionen-Batteriezellen sind daher aufgrund ihrer mangelnden Agilität nicht in der Lage, flexibel auf sich ändernde Randbedingungen zu reagieren. Daher soll im Rahmen Projekts AgiloBat2 das bisherige Produktionskonzept von Lithium-Ionen Batteriezellen systematisch von neu auf erdacht, konzipiert und umgesetzt werden.

Auch die stetig kleiner werdenden Produktlebenszyklen von Produkten, die mit Batteriezellen betrieben werden, machen deutlich, wie zwingend neue Konzepte für die Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen erdacht werden müssen. Insbesondere im Bereich der Consumer Electronics werden halbjährlich bis jährlich neue Produktgenerationen vorgestellt, welche neue Bauräume für die Zellen vorsehen, aber auch mit Verbesserungen der Zelleigenschaften (oft in Kombination mit neuen Materialien) einherkommen. Auf die Änderungen in Hinblick auf Material und Format muss die Produktionstechnik im Besonderen reagieren, was durch Kombination von agilen Produktionsanlagen und -systemen und einem grundlegenden Prozessverständnis erarbeitet werden kann.

Darüber hinaus bringen die sich ändernden Randbedingungen aufgrund neuer Produktgenerationen auch ein immer wiederkehrendes Anlaufszenario in den Produktionssystemen mit sich, was auch mit zahlreichen unbekannten Herausforderungen behaftet ist. Dies liegt darin begründet, dass zwischen Labor- und Stand der Technik-Anlagen verschiedene Material-Maschine-Korrelationen herrschen, die sich nicht immer linear skalieren lassen.

Eine Änderung des Bauraums für die Batteriezelle bedeutet für das Produktionssystem eine Änderung von Werkzeugen zur Herstellung anderer Formate. Passt das neue Werkzeug nicht in den vorhandenen Bauraum der Bestandsanlage, muss die gesamte Anlage ausgetauscht werden – unabhängig vom Zellformat und insbesondere für alle Prozesse, welche nicht im Rolle-zu-Rolle-Verfahren stattfinden. Dabei spielen insbesondere die entstehenden Werkzeugkosten eine entscheidende Rolle. Ein Tausch von Werkzeugen, Inlays und Vorrichtungen ist in der Regel mit hohen Kosten und langen Stillstandzeiten verbunden.

Darüber hinaus bringen konventionelle Transferstraßen den Nachteil mit sich, dass keine Anlagen nachträglich in die Linie ergänzt werden können. Auch hier zeigen sich die enormen Vorteile eines agilen Produktionssystems, in das zusätzliche aber auch redundante Prozessschritte ergänzt werden können, um Produktionskapazitäten aufzubauen.

Ein weiterer Aspekt von Produktionssystemen im Stand der Technik besteht in der Kostenfrage einer Batteriezelle. Die Batteriezellproduktion unterliegt einem enormen Kostendruck, welcher sich in der gesamten Wertschöpfungskette (von der Materialentwicklung und -aufbereitung bis hin zum Maschinen- und Anlagenbau) der Batteriezellherstellung niederschlägt. Die gegenwärtige Wettbewerbsstrategie insbesondere im asiatischen Raum ist im Bereich der Kostenführerschaft angesiedelt und zielt darauf ab, Standardformate zu geringstmöglichen Preisen anzubieten. Ein erfolgreicher Markteintritt in den bestehenden Wettbewerb setzt voraus, dass (deutsche) Anlagen- und Maschinenbauer sowie Zellhersteller Batteriezellen möglichst zu geringeren oder zumindest vergleichbaren Preisen wie die asiatische Konkurrenz anbieten können. Da die Marktpreise für Batteriezellen aufgrund staatlicher Subventionen jedoch stark verzerrt sind, ist dies für Unternehmen der freien Marktwirtschaft quasi unmöglich.

Die grundlegende Idee und Vision besteht folglich darin, sich mit einer anderen Wettbewerbsstrategie am Markt zu platzieren – nämlich der Differenzierung. Bei dieser stehen die spezifischen Bedürfnisse des Kunden, Produkteigenschaften und Serviceleistungen im Vordergrund und nicht alleinig der Preis.
Zusammengefasst besteht die Vision des Themenschwerpunktes „agile Anlagentechnik“ im Cluster InZePro und dem dort angesiedelten Projekt AgiloBat2 darin, Kunden aller Branchen Zellen in Klein-, Mittel- und Großserien und in industrieller Qualität anbieten zu können. Die Zellen können flexibel an die Bedürfnisse der Kunden angepasst und beispielsweise von einem Lohnfertiger hergestellt werden. Durch die Produktion für mehrere Branchen können branchenspezifische Schwankungen zudem besser ausgeglichen werden. Die Agilität der Anlagen erlaubt ein „digitales Rüsten“, sodass effizient von einem auf das andere Los umgestellt werden kann.

Das wesentlichste Projektergebnis stellt der reale Aufbau einer agilen Batteriezellfertigung in der Karlsruher Forschungsfabrik dar, die in der Lage ist, format-, material- und stückzahlflexibel zu produzieren. Sie basiert auf 3 m x 3 m x 2,5 m großen kranbaren Microenvironments mit deren dezentraler Klimatechnik (siehe Abbildung 2) eine Taupunkttemperatur von bis zu -50°C eingestellt werden kann, um feuchteempfindliche Materialien verarbeiten zu können. Zum Bestücken und zum Rekonfigurieren der Microenvironments kann deren Dach abgenommen werden und mittels Hallenkran die Anlagentechnik ein- und ausgebracht werden. Den Produktionsmodulen sind feste Plätze mit einheitlichen Schnittstellen zugeordnet, sodass diese bei technologischen Änderungen schnell gewechselt werden können. Auf dem Boden der Microenvironments verbaute Nullspannsysteme dienen zum wiederholgenauen Positionieren der Produktionsmodule, um bei Austausch von Produktionsmodulen das Anpassen des zentralen Handhabungsroboters und die zugehörigen Rüstzeiten auf ein Minimum zu reduzieren. Die aufgebaute agile Batteriezellfertigung zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad aus, sodass nur für Umrüstvorgänge Bedienpersonal die Microenvironments betreten muss. Für den flexiblen Materialfluss zwischen den Roboterzellen wird ein Fahrerloses Transportsystem (FTS) eingesetzt, welches die Halbzeuge in diffusionsdichten Transportboxen transportiert (siehe Abbildung 3). Zur Materialübergabe fährt das FTS die Materialschleusen der Microenvironments an und übergibt die geladene Transportbox mittels des verbauten Rollenförderers automatisiert an die Materialschleuse. Derartige Roboterzellen wurden für die Prozessschritte Beschichten, Trocknen, Kalandrieren, Vereinzeln und Assemblieren aufgebaut und in Betrieb genommen (siehe Abbildung 4 und Abbildung 5). Die Prozessschritte Mischen, Rolle- zu-Rolle-Beschichten, Trockenbeschichten, Befüllen, Formieren, Aging und EoL-Test finden aus Sicherheitsgründen am Batterietechnikum des KIT statt.

Durch die flexible Ausführung können im Zuge zukünftiger technologischer Fortschritte die Produktionsmodule passgenau und schnell gewechselt werden. Die derzeitigen Produktionsmodule zeichnen sich durch einen hohen Flexibilitätskorridor aus und können ca. 80% der am Markt verfügbaren Zellformate von Pouch-Zellen abdecken. Die Produktionsmodule selbst sind ebenso wie die Steuerung der dezentralen Luftentfeuchtungsanlagen an eine zentrale Datenbank per OPC UA angeschlossen. Dadurch können aktuelle Prozessparameter mit den Soll-Prozessparametern abgeglichen werden und Qualitäts- und Prozessparameter im Zuge der Qualitätssicherung gespeichert werden.

Neben dem physischen Anlagenaufbau, bei dem jeder Prozessschritt einmal aufgebaut wurde, entstand auch ein Digitaler Zwilling des Produktionssystems in der Software „Plant Simulation“. Dadurch konnten Skaleneffekte durch das Hinzufügen oder Entfernen von Microenvironments simuliert und mögliche Bottlenecks erkannt werden. Daher ist dieses Modell insbesondere zur Rekonfiguration des Produktionssystems essentiell. Ferner wurde dieses Modell zur Unterstützung bei der Auslegung der physischen Produktionsmodule genutzt. Während dem Betrieb des agilen Produktionssystems, der vorsieht, gleichzeitig verschiedene Batteriezellvarianten zu produzieren, wird dieser Digitale Zwilling in Kombination mit der Datenbank zur Produktionsplanung genutzt. In diesem Kontext werden die Prozesszeiten durch den Digitalen Zwilling abgeschätzt und die Aufträge in der Datenbank verwaltet. Eine Validierung der agilen Anlagentechnik mittels Zellbaus und anschließender Zelltests wird 2024 stattfinden.

Legende

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer

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Ansprechpartner: Prof. Dr. Jens Tübke

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer

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Ansprechpartner: Dr. Anna Smith

Ansprechpartner: Dr. Werner Bauer

Ansprechpartner: Prof. Dr. Jens Tübke

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Thomas Wetzel

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