Leitfaden zur Digitalisierung der Batteriezellproduktion

Um unterschiedliche Ausprägungen von Digitalisierung und Industrie 4.0 für alle Bereiche der Batteriezellproduktion individuell zu bestimmen, wurden in der Produktion die vier produktionstechnischen Bereiche Produktionsplanung und -steuerung sowie Logistik, Maschinen- und Anlagentechnik, Qualitätsmanagement und Prozesstechnik identifiziert. Da nicht alle Themenbereiche innerhalb der Batteriezellproduktion einem einzelnen Bereich zugeordnet werden können, werden die vier Bereiche durch einen übergreifenden Bereich „Allgemeines“ ergänzt. So spielt beispielsweise das Produkt je nach Prozessschritt in allen vier Bereichen eine entscheidende Rolle. Die fünf Bereiche stellen jeweils einen so genannten Werkzeugkasten dar. Mit dieser können der Ist-Zustand und die Ziele des Unternehmens in Bezug auf Industrie 4.0 definiert werden. Jede Toolbox enthält wiederum Unterkategorien, die sogenannten Anwendungsebenen. Der Aufbau der Toolboxen orientiert sich am VDMA-Leitfaden Industrie 4.0 , da die Anwendbarkeit dieses Ansatzes bereits nachgewiesen werden konnte. Alle Toolkits bestehen aus verschiedenen Anwendungsebenen, die für die jeweilige Domäne wichtige Anwendungen abbilden, z. B. Condition Monitoring im Bereich Maschinen- und Anlagentechnik. Jede Anwendungsebene ist zusätzlich in sieben Entwicklungsstufen unterteilt, die den Innovationsgrad in den jeweiligen Anwendungen beschreiben. Die Unterteilung der Entwicklungsstufen orientiert sich am Industrie 4.0 Maturity Index.
Die sechs Stufen des Maturity Index bilden die Formen der Digitalisierung und Industrie 4.0 von der Computerisierung bis zur Adaptivität ab. Die Stufen 1 Computerisierung und 2 Konnektivität können aus dem bestehenden Maturity Index übernommen werden. Da der Maturity Index jedoch generell auf die gesamte Unternehmensstruktur abzielt, müssen die Definitionen der Stufen 3 bis 6 an die Produktion angepasst werden. Um Stufe 3 zu erreichen, müssen Sensoren in einen Prozess integriert werden, um Produkt- und Prozessdaten zu erfassen. In der anschließenden Stufe 4 wird die Prozess-Produkt-Wirkungsbeziehung ermittelt. In diesem Schritt wird der Einfluss eines Eingangsparameters auf einen Ausgangsparameter interpretiert. Mit Hilfe dieses Verständnisses kann auch ein digitaler Zwilling der Anlage oder des Prozesses erstellt und mit den Sensordaten verknüpft werden. Auf der nächsthöheren Ebene 5 wird der digitale Zwilling verwendet, um die Ausgangsparameter auf der Grundlage der verfügbaren Eingangsparameter vorherzusagen. Es besteht keine direkte Verbindung zur Anlage. In Level 6 werden die Einstellungen dann autonom von der Anlage vorgenommen. Um auch Fälle ohne Digitalisierung abdecken zu können, wird die Toolbox um eine Entwicklungsstufe 0 erweitert.
Durch die Methodik der Toolboxen ist der Anwender in der Lage, seine Produktion schnell, umfassend und klar differenziert hinsichtlich der Digitalisierung zu klassifizieren. Dabei können unterschiedliche Bereiche wie Logistik oder Verfahrenstechnik adressiert werden, da bestimmte Anwender oder Unternehmen unterschiedliche Schwerpunkte haben. So kann für den Maschinenhersteller eines Mischers die Prozessüberwachung im Vordergrund stehen, während für den Zellhersteller die Digitalisierung der Logistik besonders relevant ist. Neben der Statusanalyse kann auch ein zu erreichender Zielstatus definiert, visualisiert und kontinuierlich verfolgt werden. Darüber hinaus können aus den Entwicklungsschritten der Anwendungsebenen die notwendigen Schritte zur Erreichung des Zielzustandes abgeleitet werden. Die Toolboxen stellen somit das entscheidende Werkzeug für eine geführte und umfassende Umsetzung von Industrie 4.0 in der Batteriezellproduktion dar.
Um die verschiedenen Anwendungsebenen und Entwicklungsstufen der Batteriezellproduktion zu identifizieren, wurde eine umfassende Grundlagenanalyse der oben genannten Produktionsbereiche durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Batteriezellproduktion analysiert, indem alle notwendigen Input- und Outputdaten sowie etablierte Prozess- und Digitalisierungstechnologien identifiziert und zusammengefasst wurden.
Durch das aktuell laufende „Dachkonzept Forschungsfabrik Batterie“ und verschiedene Batterie-Cluster-Initiativen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in Deutschland besteht eine intensive Zusammenarbeit zwischen allen in Deutschland tätigen Batterieinstituten. Ausgehend von der Zusammenarbeit im Cluster InZePro besteht ein enger Kontakt zu parallel laufenden Projekten. Darüber hinaus wurden öffentlich geförderte Projekte zur Batteriezellproduktion befragt, um den Zielzustand der Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Batteriezellproduktion zu erfassen. Parallel dazu wurde das Wissen von Industrieunternehmen einbezogen, um den aktuellen Stand und die Defizite von Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Industrie zu identifizieren. Das Spektrum der Unternehmen reichte dabei von Zellherstellern und Anlagenbauern bis hin zu Sensorikentwicklern im Batteriezellenbereich. Aus der Grundlagenanalyse, der Prozessanalyse und den Interviews ergab sich die Notwendigkeit, die einzelnen Produktionsbereiche in weitere Anwendungsebenen zu unterteilen. Dazu wurden die verschiedenen Themen aggregiert und geclustert. Die so entstandenen Cluster wurden in Anwendungsebenen überführt.
Insgesamt entstanden sovierzehn Anwendungsebenen, die mit dem vorgestellten Vorgehen zur Erstellung der Toolkits identifiziert wurden. So ergeben sich für den allgemeinen Werkzeugkasten die Anwendungsebenen Daten, Produkt und Unternehmensnetzwerk, die von allen vier produktionstechnischen Bereichen adressiert werden. Für die Toolbox Planung, Steuerung und Logistik wurden die drei Anwendungsebenen Produktionsplanung, Transport/Material und Lager identifiziert. Die Toolbox Maschinen- und Anlagentechnik umfasst die Kommunikation, die sich wiederum in Mensch-Maschine und Maschine-Maschine unterteilt, die Aktorik/Sensorik und die Instandhaltung zur Abbildung von Predictive Maintenance. Im Werkzeugkasten Qualitätsmanagement wurde die Qualitätssicherung und die Materialeingangs und Ausgangsprüfung eingeführt, die in Stufe 6 eigenständig abläuft. In der letzten der fünf Toolboxen, der Prozesstechnik, wurde der Prozess zur autonomen Einstellung der Prozesse entlang der Prozesskette und die Prozessüberwachung zur Optimierung der anlageninternen Prozessparameter beschrieben. Um anschließend die Entwicklungsstufen der einzelnen Anwendungsebenen zu bestimmen, wurden die identifizierten Anwendungsfälle der Digitalisierung aus den Interviews und der Grundlagenanalyse in der Batteriezellenproduktion abstrahiert und den einzelnen Stufen zugeordnet.

Der Digitalisierungsleitfaden setzt sich also aus Methodensammlungen, den sogenannten Toolboxen, in den vier Bereichen Maschinen- und Anlagentechnik, Qualitätsmanagement, Prozesstechnik sowie Planung, Steuerung und Logistik zusammen. Damit werden alle produktionsrelevanten Bereiche der Batteriezellenfertigung vollständig abgedeckt. Mit Hilfe der Toolboxen sollen Technologien in bestehenden Batteriezellenproduktionen ganzheitlich verortet und bewertet werden, um Digitalisierung und Industrie 4.0 schnell und systematisch in Anlagen und Prozessketten einzuführen und darüber hinaus auch die Entwicklung neuer Ideen für zukünftige Anlagengenerationen zu unterstützen. Neben der Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit führt dies zu einer verbesserten Prozess- und Anlagenüberwachung, die unter anderem Ausschuss vermeidet und damit die Ressourceneffizienz erhöht.