Die kontinuierlich wachsende Nachfrage nach elektrischen Energiespeichern für mobile und stationäre Anwendungen geht mit hohen Anforderungen an die Fertigungsprozesse selbiger einher. Insbesondere die hohe Komplexität entlang der Prozesskette stellt die Planung der Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung vor große Herausforderungen. Auch die bestehenden Wechselwirkungen der einzelnen Teilprozesse sind schwer zu berücksichtigen. Die Schwankungen innerhalb einzelner Teilprozesse wirken sich somit unmittelbar auf Folgeprozesse und damit auf die Zelleigenschaften aus. Daher ist es zur Optimierung der Produktion, Verbesserung der Produktqualität sowie Verringerung des Ausschusses unerlässlich, die Prozesskette in ihrer Gesamtheit zu betrachten.
Start 01.10.2020 Ende 30.09.2023
Fördergeber: BMBF
Das Ziel in ViPro ist es, die Wechselwirkungen der Teilprozesse zu berücksichtigen und Folgeprozesse entsprechend zu beeinflussen, um die Prozesskette in ihrer Gesamtheit zu betrachten und zu optimieren. Hierfür wird ein virtuelles Produktionssystem etabliert, das sich mittels einer prozessübergreifenden Produktionssteuerung steuern lässt. Dies ermöglicht die realitätsnahe und risikoarme Erprobung von Optimierungsansätzen im virtuellen Raum. Die Ergebnisse können anschließend auf die realen Prozesse übertragen werden. Weiterhin ist eine Verknüpfung der Teilprozesse mittels einheitlicher Schnittstellen nötig. Die erprobten Ansätze können so abschließend auf die verknüpften Teilprozesse übertragen werden und ermöglichen eine Produktion unter Beachtung von Wechselwirkungen. Aus diesen Zielen ergeben sich verschiedene Arbeitsinhalte, die im Rahmen des Projekts in Zusammenarbeit mit drei weiteren Instituten bearbeitet werden.
Zunächst wird ein virtuelles Produktionssystem aufgebaut, das die Prozessschritte Beschichtung, Assemblierung, Elektrolytbefüllung sowie Formierung modellbasiert abbildet. Die Grundlage dafür bilden einheitliche Schnittstellen für die Datenübertragung sowie ein Modellstandard. Weiterhin wird ein Standard für die Kommunikation und Schnittstellen der Anlagen untereinander erarbeitet. Das ermöglicht zudem das Auslesen von Daten, die dann in einer übergreifenden Datenbank gespeichert werden können. Mithilfe des zentralen Datenbankensystems kann ortsungebunden auf Prozessdaten zugegriffen werden. Damit ist auch eine standortübergreifende Verknüpfung von Teilprozessen der Batteriefertigung umsetzbar. Der letzte Arbeitsbereich des Projekts bezieht sich auf ein Betriebsleitsystem, das die prozessübergreifende Produktionssteuerung ermöglicht. Dazu wird eine prozessübergreifende Produktionssteuerung entwickelt, die mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens Wirkzusammenhänge identifiziert sowie optimale Prozessparameter, die die Zwischenprodukteigenschaften und Wechselwirkungen berücksichtigen, auswählt. Die Validierung der prozessübergreifenden Steuerung erfolgt mithilfe der entwickelten Modelle. Das Betriebsleitsystem verknüpft anschließend die prozessübergreifende Steuerung mit der Datenerfassung und Prozessvisualisierung und –überwachung.
Das IWF beschäftigt sich im Rahmen von ViPro insbesondere mit dem Aufbau des Betriebsleitsystems, welches auch die Mensch-Maschine-Schnittstelle beinhaltet (Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering). Die mit dem Betriebsleitsystem gekoppelte prozessübergreifende Produktionssteuerung wird ebenfalls am IWF entwickelt. Außerdem werden hier zur Zielerreichung Kenntnisse über den Prozess der Elektrolytbefüllung eingebracht (Fertigungstechnologien und Prozessautomatisierung). Damit wird maßgeblich dazu beigetragen, durch die Quantifizierung der Wechselwirkungen und die damit verbundene Anpassung der Prozessparameter über die Steuerung und das Betriebsleitsystem die Qualität der Batteriezellen zu steigern und den Ausschuss der Produktion zu senken.