Multi-Level-Simulation von Produkt-Prozess-Wechselwirkungen

Die grundsätzliche Herausforderung an eine wettbewerbsfähige Batteriezellproduktion am Standort Deutschland ist die Steigerung der Batterieperformance bei gleichzeitiger Reduzierung des energiebezogenen Zellpreises. Bei länderübergreifend nahezu identischen Materialkosten kommt somit der Produktion der Zellen eine besondere Bedeutung zu. Die Ergebnisse von Produktionsprozessen unterliegen in der Realität Schwankungen innerhalb definierter Toleranzen. In der Produkt- und Prozessentwicklung werden Einflussgrößen auf Prozesstoleranzen gezielt variiert, um ein gewünschtes Ergebnis reproduzierbar zu erzielen. Eine Reduktion von Prozessschwankungen auf unnötig hohe Anforderungen ist mit steigendem Aufwand und höheren Investitionen (z. B. genauerer Anlagentechnik) und Kosten verbunden, sodass eine gezielte Abstimmung der Prozesstoleranzen mit den gewünschten Produkteigenschaften erforderlich ist. Es besteht daher der Bedarf nach einer Methode, die es ermöglicht, Auswirkungen von Schwankungen in einzelnen Prozessen entlang der Prozesskette auf Folgeprozesse und (Zwischen-)Produkteigenschaften zu untersuchen.

Das Forschungsvorhaben verfolgt konkret das Ziel, mittels Modellierung und Simulation sinnvolle Toleranzen zu identifizieren. Hierfür ist eine kombinierte Simulationsmethode sowie eine Vorgehensweise zu schaffen, die eine Identifikation und Analyse des Einflusses von Produktionsprozessen der Zellproduktion auf Produktparameter und somit auf die Zellperformance ermöglichen. Dabei werden bisher parallel laufende Aktivitäten zur Simulation von Produktionssystemen und Batteriezellen verknüpft. Hierbei sollen die Einflüsse von Prozessen auf wahrscheinlichkeits- und eigenschaftsverteilte Produktparameter modelliert und hinsichtlich der Auswirkungen in einer Zelle untersucht werden. Außerdem sind die Auswirkungen von Prozesstoleranzen auf nachfolgende Prozesse innerhalb einer Prozesskette von Interesse. Wissen über die Auswirkungen ermöglicht eine optimale Auslegung verketteter Prozesse zur effizienten Herstellung von Zellen mit bestimmten geforderten Eigenschaften.

Im Projekt werden zu diesem Zweck Simulationsumgebungen für Produktionssysteme und Batteriezellen entwickelt, die explizit auf verteilten Parametern basieren bzw. Ergebnisse in Form von Verteilungen ausgeben. Die Produktionssimulation berücksichtigt die Prozess- und Prozesskettenebene mit Fokus auf die Elektrodenherstellung. Prozessmodelle für die einzelnen Prozessschritte der Elektrodenherstellung werden beschreiben, wie sich Prozessschwankungen und bereits existierende Strukturparameter auf das jeweilige Prozessergebnis auswirken. Die simulativ erzeugten Strukturparameter dienen wiederum als Input für Folgeprozesse. Dadurch wird die Abbildung der Entwicklung von Strukturparametern entlang der Prozesskette ermöglicht. Die Ergebnisse der Produktionssimulation werden an ein Simulationsmodell zur Bewertung der Zellperformance übergeben. Diese elektrochemischen Modelle der Batteriezelle berücksichtigen explizit diese Strukturparameter, um entweder ihren Einfluss auf die Zelleigenschaften oder aber ihren Einfluss auf Eigenschaftsschwankungen durch die Produktion zu bewerten. Zusammenfassend erlaubt diese Vorgehensweise, den Einfluss von Produktionsunsicherheiten auf das Endprodukt zu analysieren und so Schlüsselprozesse und Toleranzen für eine reproduzierbare Produktqualität zu identifizieren.

Zur Erreichung des Ziels ist es notwendig, Expertisen der Simulation von Produktionssystemen und Batteriezellen zu kombinieren, um einen durchgängigen Ansatz zu entwickeln. Die TU Braunschweig deckt mit ihren Erfahrungen und Kompetenzen sowohl den Bereich der Produktionssimulation, als auch den Bereich der Produkt- bzw. Zellsimulation ab, sodass die anvisierte Vorgehensweise samt gekoppeltem Simulationsansatz zur Prozess-Produkt-Simulation umgesetzt werden kann. Darüber hinaus kann durch die aktive Beteiligung und der engen interdisziplinären Vernetzung zu Prozess-Experten der Batterieproduktion in der Battery LabFactory Braunschweig der Zugriff auf Messdaten und Analysemethoden gewährleistet werden.

Die gekoppelte Produktion-Produkt-Simulation erlaubt es, die Auswirkungen von Prozessschwankungen innerhalb der Produktion auf die Eigenschaften von hergestellten Batteriezellen abzubilden und zu untersuchen. Damit lassen sich die Relevanz der Genauigkeit einzelner Produktionsprozesse sowie die Sensitivität einzelner Einflussgrößen bestimmen. Dies ist von großer Bedeutung für die industrielle Serienproduktion von Batteriezellen, da die Reduktion von Prozessschwankungen mit hohen Kosten verbunden ist und eine prozesskettenübergreifende Optimierung der zulässigen Prozesstoleranzen zu einer Kostenreduktion führen kann. Darüber hinaus trägt das Projekt zu einem verbesserten Systemverständnis der Batterieproduktion bei, in dem die Analyse von Wechselwirkungen zwischen Prozessen und den resultierenden Produkteigenschaften ermöglicht wird. Durch die gezielte Abstimmung der Prozessparameter wird zudem eine Verbesserung der Produktqualität ermöglicht. Insgesamt unterstützt das Projekt durch die Entwicklung der beschriebenen Simulationsmethode damit die wirtschaftliche Produktion von Batteriezellen in Deutschland und folglich die Bestrebung nach der Technologieführerschaft bzw. die Position des Leitanbieters.

Maschinenbauer, Produzenten elektrochemischer Energiespeicher und deren Käufer profitieren von den erarbeiteten Erkenntnissen. Die entwickelte Methodik wird es erlauben, spezifische Prozessketten und Produkte von Batterieproduzenten virtuell nachzubilden und dadurch Erkenntnisse zu gewinnen, die in die Produktionsplanung und Produktentwicklung einfließen und zu Kosteneinsparungen und Qualitätsverbesserungen führen können.