Der Digi­ta­le Zwil­ling in der Batteriezellfertigung

Im Fokus des nun ver­öf­fent­lich­ten White­pa­pers »Der Digi­ta­le Zwil­ling in der Bat­te­rie­zell­fer­ti­gung« ste­hen der Ein­satz und die Poten­zia­le, die digi­ta­le Zwil­lin­ge in ver­schie­de­nen Berei­chen der Bat­te­rie­zell­fer­ti­gung ent­fal­ten kön­nen. Zusam­men mit acht wei­te­ren For­schungs­in­sti­tu­tio­nen aus dem »FoFeBat«-Projekt wur­de das Kon­zept Digi­ta­ler Zwil­lin­ge für die Bat­te­rie­zell­fer­ti­gung ent­wi­ckelt. Die­ses unter­schei­det zwi­schen dem digi­ta­len Anla­gen­zwil­ling, dem digi­ta­len Pro­dukt­zwil­ling und dem digi­ta­len Gebäu­de­zwil­ling. Das aktu­el­le White­pa­per beschreibt die prak­ti­sche Umset­zung des Kon­zepts an der Fraun­ho­fer-Ein­rich­tung For­schungs­fer­ti­gung Bat­te­rie­zel­le FFB.

Digi­ta­le Zwil­lin­ge stel­len Reprä­sen­ta­tio­nen phy­si­scher Objek­te dar, die über den jewei­li­gen Lebens­zy­klus im Pro­duk­ti­ons­pro­zess mit Daten, Infor­ma­tio­nen und Model­len ange­rei­chert wer­den. Als digi­ta­li­sier­tes Abbild las­sen sie sich durch Sen­sor­da­ten ste­tig aktua­li­sie­ren, ver­bes­sern und aus­bau­en. Die ers­ten Digi­ta­len Zwil­lin­ge wur­den bereits in den 1970er Jah­ren von der NASA ent­wi­ckelt, um Pro­ble­me und Lösun­gen für Raum­fahr­zeu­ge zu erken­nen. Denn die Ein­bin­dung von Daten in die vir­tu­el­le Reprä­sen­ta­ti­on eines phy­si­schen Gegen­stands ermög­licht die Simu­la­ti­on und Visua­li­sie­rung von Pro­duk­ti­ons­pro­zes­sen von Anfang bis Ende. Dadurch kön­nen Unter­neh­men Pro­zes­se live über­wa­chen, ana­ly­sie­ren und somit Pro­ble­me schnel­ler erken­nen und Pro­zess­op­ti­mie­run­gen vor­neh­men. Aus­ge­rich­tet an den ver­folg­ten Zie­len, kön­nen die digi­ta­len Abbil­der indi­vi­du­ell nach ihrem Anwen­dungs­ge­biet gestal­tet wer­den. Je nach Bedarf wird die Daten­ana­ly­se zum Bei­spiel zur Beschrei­bung, Dia­gno­se, Zurück­ver­folg­bar­keit, Vor­her­sa­ge oder Emp­feh­lung eingesetzt.

Im White­pa­per wer­den die unter­schied­li­chen Defi­ni­tio­nen des Begriffs im wis­sen­schaft­li­chen Dis­kurs erläu­tert. Es wird eine ein­heit­li­ches all­ge­mein­gül­ti­ge­res Begriffs­ver­ständ­nis für den Digi­ta­len Zwil­ling der Bat­te­rie­zell­fer­ti­gung angestrebt.

Hier hält die Digi­ta­li­sie­rung gro­ße Vor­tei­le bereit. Ein Blick auf den Bat­te­rie­markt ver­deut­licht, dass die Nach­fra­ge nach Lithi­um-Ionen-Bat­te­rie­zel­len in den nächs­ten Jah­ren wei­ter stei­gen wird. Ein Grund dafür ist der Wan­del der Mobi­li­täts­bran­che und der damit wach­sen­de Aus­bau der Elek­tro­mo­bi­li­tät, wie im Umfeld­be­richt zum euro­päi­schen Inno­va­ti­ons­sys­tem Bat­te­rie 2022 deut­lich wird. Dem­entspre­chend wer­den Bat­te­rie­fa­bri­ken in Euro­pa errich­tet, die sich den hohen Anfor­de­run­gen an Qua­li­tät, Nach­hal­tig­keit und Pro­zess­sta­bi­li­tät stel­len müs­sen. Die­se wer­den durch poli­ti­sche Ver­ord­nun­gen, wie bei­spiels­wei­se den »Bat­te­ry Pass­port« stan­dar­di­siert, um die Ver­ant­wort­lich­kei­ten in der Lie­fer­ket­te umfas­send beschrei­ben zu kön­nen. Ein Digi­ta­ler Zwil­ling kann an die­ser Stel­le zur Errei­chung einer höhe­ren Qua­li­tät bei­tra­gen, da er Schwach­stel­len der Pro­duk­ti­on offen­legt, die Pro­zess­op­ti­mie­rung beschleu­nigt und Lösun­gen, wie den »Bat­te­ry Pass­port« erst ermög­licht. Bis­her exis­tiert jedoch kein Digi­ta­ler Zwil­ling einer voll­stän­di­gen Bat­te­rie­zell­pro­duk­ti­on, der sowohl das Fabrik­ge­bäu­de, die Pro­duk­ti­ons­ma­schi­nen als auch das Pro­dukt umfasst.

Ein Zwil­ling pro phy­si­sche Instanz: Pro­dukt­zwil­ling, Anla­gen­zwil­ling Gebäudezwilling

Trotz aller Vor­tei­le stellt sich die Imple­men­tie­rung Digi­ta­ler Zwil­lin­ge in der Fer­ti­gung von Bat­te­rie­zel­len als kei­ne ein­fa­che Auf­ga­be her­aus, da es eine gro­ße Anzahl phy­si­scher Objek­te gibt, die mit­ein­an­der in Ver­bin­dung gebracht wer­den müs­sen. Ant­wor­ten auf die­se Her­aus­for­de­rung gibt das im White­pa­per vor­ge­stell­te Kon­zept.  Es unter­schei­det zwi­schen drei Typen von Digi­ta­len Zwil­lin­gen: Anla­gen­zwil­ling, Pro­dukt­zwil­ling und Gebäu­de­zwil­ling. Der Digi­ta­le Zwil­ling der Bat­te­rie­zell­fer­ti­gung führt die­se ganz­heit­lich zusam­men und sein drei­ge­teil­ter, modu­la­rer Auf­bau ermög­licht eine ein­fa­che­re Hand­hab­bar­keit und den Aus­tausch von Daten und Infor­ma­tio­nen auf tech­ni­scher Ebe­ne. Doch wel­che Funk­ti­on erfül­len die Zwil­lings­mo­du­le im Einzelnen?

Der Anla­gen­zwil­ling digi­ta­li­siert alle Pro­zes­se der Pro­duk­ti­ons­an­la­gen in der Fabrik. Dadurch kann der Zustand von Maschi­nen über­wacht und dar­auf basie­rend Ent­schei­dun­gen getrof­fen wer­den, wodurch sich ihr Ver­schleiß redu­ziert und War­tungs­zei­ten ver­kürzt wer­den. Die Effi­zi­enz der Anla­ge wird erhöht, da die Daten zusam­men­hän­gend betrach­tet wer­den kön­nen. Dies führt zu einer öko­no­mi­sche­ren und öko­lo­gi­sche­ren Produktion.

Im Gegen­satz zum Anla­gen­zwil­ling sam­melt der Pro­dukt­zwil­ling alle Daten und Merk­ma­le von Roh­stof­fen sowie Zwi­schen- und End­pro­duk­ten, die Para­me­ter der Ver­ar­bei­tungs­pro­zes­se mit­in­be­grif­fen. Somit wird eine digi­ta­le Dar­stel­lung der Pro­dukt­kon­fi­gu­ra­ti­on gene­riert, die mit Daten über exter­ne Umwelt­fak­to­ren und rele­van­ten Pro­zess­da­ten ange­rei­chert und ver­knüpft wer­den kann.

Der digi­ta­le Gebäu­de­zwil­ling erhöht durch den Ein­satz von Buil­ding Infor­ma­ti­on Model­ling (BIM) und die digi­ta­le Abbil­dung des Gebäu­des in allen Bau- und Betriebs­pha­sen ein­ge­setzt die Effi­zi­enz der Pla­nung von Fabrik­ge­bäu­den. Die Effi­zi­enz­stei­ge­rung redu­ziert folg­lich die Kos­ten und die CO2-Emis­sio­nen. Zudem trägt es zu einer trans­pa­ren­ten Kom­mu­ni­ka­ti­on zwi­schen den am Bau­pro­jekt betei­lig­ten Part­nern bei.

Die ver­schie­de­nen Zwil­lin­ge erlau­ben über­grei­fen­de Erkennt­nis­ge­win­ne und Opti­mie­run­gen durch ihr Zusam­men­spiel. So kön­nen Ein­flüs­se von Anla­gen­pa­ra­me­tern auf die Bat­te­rie­zell­ei­gen­schaf­ten genau beschrie­ben und genutzt wer­den, wäh­rend die Eigen­schaf­ten im Betrieb des Gebäu­des auf die Para­me­ter und Pro­zess­qua­li­tät der Anla­gen dar­ge­stellt wer­den kön­nen. Durch die­se über­grei­fen­de Betrach­tung wird die Bat­te­rie­zell­pro­duk­ti­on sowohl in der Tie­fe als auch über­grei­fend digi­tal abgebildet.

Die Ver­net­zung der ein­zel­nen Aus­prä­gungs­for­men des digi­ta­len Zwil­lings der Bat­te­rie­zell­fer­ti­gung machen den Ener­gie­be­darf und die Pro­dukt­qua­li­tät in Zah­len greif­bar, sodass schnel­ler Inno­va­ti­ons­po­ten­zia­le erkannt wer­den kön­nen. Die Kon­zep­tio­nie­rung der ein­zel­nen digi­ta­len Zwil­lin­ge für die »FFB Pre­Fab« und »FFB Fab« der Fraun­ho­fer FFB wird die grund­le­gen­den Vor­aus­set­zun­gen für eine öko­lo­gi­sche und öko­no­mi­sche Fabrik schaffen.