Leitfaden zur Digitalisierung der Batteriezellproduktion
Motivation
Weltweit sind derzeit zwei Megatrends zu beobachten, die sich maßgeblich auf die in Europa angesiedelte Industrie auswirken: die Einführung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in Fabriken sowie der weltweit steigende Bedarf an Batteriezellen. Die Sicherung der globalen Wettbewerbsfähigkeit Europas erfordert eine systematische Methodik zur Einführung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in die Batteriezellproduktion. Bislang fehlen allerdings Konzepte zur ganzheitlichen und schnellen Umsetzung dieser Aspekte. Ebenso ist ein Hilfsmittel zur Bewertung und Verortung bereits bestehender Technologien im Hinblick auf Digitalisierung und Industrie 4.0 nicht verfügbar. Selbiges gilt für Ansätze zur Generierung neuer Ideen und Lösungen in diesem Kontext.
Projektinhalt
Das Projekt BatterI4.0 entwickelt einen Digitalisierungsleitfaden für die Batteriezellproduktion, der eine Messbarkeit und Weiterentwicklung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Batteriezellproduktion ermöglicht. Die Messbarkeit erfolgt dabei durch eine Methodensammlung in Form von Werkzeugkästen, die durch Anwendungsebenen und Entwicklungsstufen beschrieben werden. Die Anwendungsebenen stellen dabei die Themenfelder, in denen Industrie 4.0 und Digitalisierung zum Einsatz kommen, dar, die Entwicklungsstufen hingegen, wie stark die Aspekte von Industrie 4.0 und Digitalisierung jeweils ausgeprägt sind. Anhand der Werkzeugkästen sollen Technologien in bestehenden Batteriezellproduktionen ganzheitlich verortet und bewertet werden können. Zudem wird durch die Arbeitsinhalte des Projekts die Entwicklung neuer Ideen in Bezug auf zukünftige Anlagengenerationen unterstützt.
Projektziele
Weltweit sind derzeit zwei Megatrends zu beobachten, die einen erheblichen Einfluss auf die in Deutschland ansässige Batteriebranche haben. Diese sind die Einführung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in Fabriken sowie die weltweit steigende Nachfrage nach Batteriezellen.
Unternehmen werden mit der Einführung von Industrie 4.0 in die Lage versetzt, neue produktionstechnische Methoden entlang der gesamten Wertschöpfungskette anzuwenden, Prozess- und Produktdaten zu sammeln und mit intelligenten Algorithmen auszuwerten. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich Handlungsempfehlungen ableiten, mit denen Unternehmen deutliche Wettbewerbsvorteile erzielen können. Dazu gehören die Senkung der Herstellungskosten, die Verbesserung der Produktqualität und die Erhöhung der Flexibilität bei schwankender Nachfrage. Die Idee von Industrie 4.0 hat mittlerweile in allen Bereichen der produzierenden Industrie Einzug gehalten und ist sowohl in kleinen Unternehmen als auch in internationalen Konzernen zu finden.
Die Lithium-Ionen-Batterie hat sich zu einem der wichtigsten Energiespeicher unserer Zeit entwickelt und wird in verschiedenen Bereichen wie der Elektromobilität und stationären Energiespeichern eingesetzt. In Industrie und Forschung gibt es weltweit zunehmend Bestrebungen, den interdisziplinären und mehrstufigen Batterieherstellungsprozess umfassend zu erforschen. Insbesondere agile und intelligente Produktionssysteme, innovative Anlagentechnik, Digitalisierung und künstliche Intelligenz in der Produktion rücken dabei zunehmend in den Fokus. Diese sollen es ermöglichen, Batteriezellen mit unterschiedlichen Materialsystemen und Formaten kostengünstig und in hoher Qualität zu produzieren. Gleichzeitig soll ein hohes Maß an Flexibilität im Hinblick auf Nachfrageschwankungen gegeben sein.
Bislang fehlten Konzepte für die ganzheitliche und schnelle Umsetzung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Batteriezellenproduktion. Auch für die Bewertung und Verortung bestehender Technologien im Hinblick auf Digitalisierung und Industrie 4.0 gab es kein Werkzeug. Gleiches gilt für Ansätze zur Generierung neuer Ideen und Lösungen. Das InZePro-Begleitprojekt BatterI4.0, das gemeinsam von den produktionstechnischen Instituten der Hochschulen in Aachen, Braunschweig, Karlsruhe und München durchgeführt wird, hat daher zum Ziel, einen Leitfaden für die systematische Umsetzung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Batteriezellenproduktion zu entwickeln. Damit sollen Unternehmen in die Lage versetzt werden, die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Batteriezellenproduktion schnell und effektiv zu steigern. Somit soll ein grundlegender Beitrag zum Erhalt der Attraktivität des Produktionsstandortes Deutschland im Hinblick auf eine neue Schlüsseltechnologie geleistet werden.
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
wbk Institut für Produktionstechnik
Kaiserstr. 12, 76131 Karlsruhe
Tel.: +49 721 608 44009
E-Mail: juergen.fleischer@kit.edu
Projektlaufzeit
01.09.2020-30.04.2024
Themenfeld
Förderkennzeichen
03XP0300A
Technologietransfer
Es existieren zwar umfangreiche Untersuchungen und Studien mit Leitfadencharakter jeweils getrennt zur Batteriezellfertigung und zur Digitalisierung, allerdings ist keine Kombination aus beidem mit gesamtheitlicher Betrachtung aller produktionstechnischen Aspekte bekannt.
Hier setzt die Neuheit des Lösungsansatzes von BatterI4.0 an. Innovative Lösungen zur Sicherung und Steigerung globaler Wettbewerbsfähigkeit verlangen eine systematische Methodik in der Bewertung und Weiterentwicklung bestehender technischer und organisatorischer Ansätze von Industrie 4.0 in der Batteriezellfertigung. Dies ist insbesondere in Anbetracht des steigenden Drucks durch asiatische und nordamerikanische Batterieproduzenten von großer Bedeutung. Darüber hinaus ist es notwendig, die gesamte Produktionstechnik in allen Facetten mit einzubeziehen. Hierzu gehören die grundlegende Prozesstechnik der einzelnen Fertigungsprozesse, die dazugehörige Maschinen- und Anlagentechnik sowie das Qualitätsmanagement zur Sicherstellung der erforderlichen Qualität. Weiterhin müssen zwingend auch organisatorische Aspekte der Produktionsplanung, -steuerung und -logistik für eine ganzheitliche Betrachtung von Industrie 4.0 in der Batteriezellfertigung hinzugezogen werden. Vorangegangene und laufende Bestrebungen zur Integration von Industrie 4.0 in der Batteriezellfertigung fokussieren sich in der Forschung auf konkrete Fragestellungen der Datenerfassung und -auswertung sowie cyberphysischen Systemen in der Zellfertigung. Ebenso erfolgt keine systematische Methodenentwicklung zur Digitalisierungsbewertung.
Es zeigt sich, dass industrieseitig in Batteriezellproduktionen weltweit bereits Ansätze zu Industrie 4.0 verfolgt werden, aber keine systematische Methodenentwicklung zur Digitalisierungsbewertung und keine methodische Vorgehensweise, die die Ist-Situation von Industrie 4.0-Anwendungen in der Batteriezellfertigung einordnet, existiert Darüber hinaus besteht ebenfalls kein vom Anwendungsfall losgelöstes Werkzeug, um Aspekte von Industrie 4.0 aus Anwendersicht systematisch weiterentwickeln zu können, sowie die entwickelten Lösungen im Sinne von Industrie 4.0 bewerten zu können. Hervorzuheben ist weiterhin das Defizit einer gesamtheitlichen Betrachtung der Batteriezellfertigung in den Aspekten Prozesstechnik, Maschinen- und Anlagentechnik, Qualitätsmanagement sowie Produktionsplanung, -steuerung und -logistik sowie dessen inhaltliche Zusammenführung in einem gemeinsamen Leitfaden.
Ein Leitfaden zur systematischen Umsetzung von Digitalisierung und Industrie 4.0 für die Batteriezellproduktion existiert bisher nicht. Damit entgehen den Batteriezellproduzenten Effektivitäts- und Effizienzsteigerungen und damit international notwendige Wettbewerbsfähigkeit. Auch aus bereits vorhandenen Werken kann keine eindeutige Vorgehensweise abgeleitet werden. An diesem Defizit setzt das Projekt an und erarbeitet auf Basis des 2015 entwickelten, etablierten Leitfadens Industrie 4.0 einen Leitfaden zur Digitalisierung der Batteriezellproduktion, um so einen Beitrag zu einer wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland zu leisten.
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.
Werkzeugkasten 1
Werkzeugkasten 2
Legende
Beratungsangebot an Unternehmen zur zielgerichteten Digitalisierung im Kontext der Batteriezellproduktion
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
wbk Institut für Produktionstechnik
Kaiserstraße 12, 76133 Karlsruhe
Tel.: +49 721 608 – 44009
E-Mail-Adresse: Juergen.Fleischer@kit.edu
www.wbk.kit.edu
Projektpartner
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
wbk Institut für Produktionstechnik
Kaiserstr. 12, 76131 Karlsruhe
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
www.wbk.kit.edu
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Production Engineering of E-Mobility Components (PEM)
Bohr 12, 52072 Aachen
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker
www.pem.rwth-aachen.de
Technische Universität Braunschweig
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Langer Kamp 19b, 38106 Braunschweig
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder
www.tu-braunschweig.de/iwf
Technische Universität München
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Boltzmannstr. 15, 85748 Garching b. München
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Daub
www.mec.ed.tum.de/iwb