»FoFeBat – Forschungsfertigung Batteriezelle Deutschland«

Die Fertigung von Batteriezellen stellt besondere Anforderungen an Fabrikstrukturen und die Produktionsumgebung. Große Anlagen, viele Monumente, die Anforderungen an Reinheit und Trockenheit in der Produktion sind nur einige Beispiele, die die Planung einer Batteriezellfabrik komplex machen. Hinzu kommt die teilweise rasche Veränderung dieser Anforderungen beispielsweise durch neue Produktionstechnologien, innovative Batteriezellformate oder angepasste gesetzliche Vorgaben. Damit die Fabrik im Sinne einer Forschungsfertigung langfristig aktuell sein kann, muss das Produktionssystem auf die sich ändernden Anforderungen reagieren können. Daher lag der Schwerpunkt bei der Planung der FFB aus Sicht der Fabrikplanung auf der flexiblen und wandlungsfähigen Gestaltung des Produktionssystems. Neben den Aktivitäten zur Modularisierung der Wertschöpfungskette ist die Reduktion der Umweltwirkungen der Batteriezellfertigung ein zentrales Planungsziel der FFB. Dies soll im Wesentlichen durch eine hohe Energie- und Ressourceneffizienz auf Gebäude- und Produktionsseite sowie durch die Nutzung von erneuerbaren Energien erreicht werden. Basierend auf seinen langjährigen Erfahrungen im Bereich Fabrikplanung, konnte das Fraunhofer IPA bei der Erreichung der gesteckten Ziele maßgeblich beitragen: einerseits durch die Anwendung unseres durchgängigen Planungsvorgehens, das sich an dem von uns federführend entwickelte Planungsvorgehen der VDI-Richtlinie 5200 »Fabrikplanung« orientiert; andererseits durch den Einsatz der von uns entwickelten und in zahlreichen Projekten branchenübergreifend bewährten Planungsmethoden. 

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Die Produktionslinien stellen einen wesentlichen Teil der zukünftigen Infrastruktur der Forschungsfertigung Batteriezelle dar. Das Fraunhofer IPA unterstützt maßgeblich bei der Spezifikation, bei der Beschaffung und beim Aufbau der Linien in den Bereichen Elektrodenfertigung und Zellassemblierung. In zahlreichen Gesprächen und Diskussionen mit Anlagenherstellern für die Batteriefertigung aus dem europäischen, amerikanischen und asiatischen Raum wurden die Möglichkeiten für eine innovative und flexible aber produktionsnahe Fertigung herausgearbeitet und daraus für die verschiedenen Anlagen und Bereiche Leistungsverzeichnisse (Lastenhefte) erstellt.

Um ständige Verbesserungen in Prozessen vornehmen zu können, spielt die Vernetzung der Anlagen und die Digitalisierung der Prozesse eine entscheidende Rolle. Hierzu wurden umfangreiche Spezifikationen an die mechanischen und elektrischen Schnittstellen vorgenommen, um die Anlagen und die Prozessdaten mit den Ergebnissen der Qualitätssicherung zu verknüpfen und für eine Datenanalyse bereitzustellen. Solche Maßnahmen ermöglichen nicht nur eine effiziente Produktion mit hoher Qualität, sondern auch eine nahtlose Verknüpfung zwischen den verschiedenen Prozessen der Batteriezellfertigung untereinander und zur Logistik.

Die erarbeiteten Konzepte und Spezifikationen bildeten die Grundlage für die Ausschreibungsprozesse, wodurch die zukünftigen Technologien für eine hochmoderne und effiziente Batteriezellproduktion ausgewählt werden konnten. Daraus wurden auch die Anforderungen durch die Anlagentechnik an das Gebäude abgeleitet, was einen wesentlichen Beitrag zur Fabrikplanung darstellt.

Innerhalb der FFB sollen neuartige Batteriezellkonzepte und -prozesse mit digitalisierten, flexiblen und modularen Fertigungsmethoden kombiniert und erforscht werden. Mit Hilfe von digitalen Werkzeugen sollen die zukünftigen Planungs- und Steuerungsprozesse verbessert und möglichst durchgängig, flexibel, effizient und transparent gestaltet werden. Darunter fallen insbesondere folgende Aspekte:

1. Aktuelle (Echtzeit-) Daten in der Produktion nutzbar machen
2. Vorhandene Kapazitäten (werksübergreifend) besser ausnutzen
3. Steigerung des Automatisierungsgrades der Prozesse
4. Nutzen der Digitalisierung quantifizieren

Um diese Ziele zu erreichen wurden durch die Unterstützung des Fraunhofer IPA, gemeinsam mit Industriepartnern verschiedene Digitalisierungswerkzeuge (Manufacturing Execution System - MES, Intelligent Internet of Things – IIoT Plattform) beschafft und implementiert. Zusätzlich benötigte IT-Komponenten von weiteren Anbietern sollen einfach integriert werden können. Um eine hohe Flexibilität zu gewährleisten, ist es ist nicht vorgesehen, eine komplette IT-Landschaft durch einen Single-Vendor einzuführen.

Das Fraunhofer IPA unterstützt die FFB insbesondere bei der fachlichen Leitung der MES- und IIoT-Projekte, sowie bei der inhaltlichen Modellierung, Konfiguration und Umsetzung der Basisfunktionen in den einzelnen IT-Systemen. Darüber hinaus gilt es, die Inbetriebnahme der MES und IIoT zu koordinieren, passende Geschäftsprozesse aufzubauen und notwendige IT-Ressourcen (Hardware) zu spezifizieren.