Batteriefertigung: Kapazitätsplus durch intelligente Automation

Hersteller moderner Energiespeicher stehen vor der Herausforderung, leistungsfähigere Batterien zu entwickeln und diese kurzfristig in hoher Stückzahl und Qualität auf den Markt zu bringen. Welchen Beitrag kann die Automation leisten, um unterschiedliche Modelle und Losgrößen schnell und flexibel, aber auch wirtschaftlich und umweltfreundlich zu fertigen?

E-Autos, digitale Mobilgeräte, dezentrale Energiespeicher für Wind- oder Solarenergie: im kommenden Jahrzehnt wird die Nachfrage nach Batteriezellen drastisch zunehmen. Laut der aktuellen „Energiespeicher-Roadmap“ des Fraunhofer ISI müssten die Zellproduktionskapazitäten an den europäischen Standorten bis 2030 auf mehrere hundert GWh anwachsen, um den Bedarf in Europa zu decken. Die Hersteller arbeiten im Wettlauf mit der Zeit und müssen Wege finden, neu entwickelte Batterielösungen deutlich schneller und in großer Stückzahl auf den Markt zu bringen.

 

Massenfertigung bei hoher Flexibilität

Weil die Entwicklung leistungsstärkerer Energiespeicher kurzen Evolutionszyklen folgt, muss sich die Fertigung aber auch schnell anpassen lassen. Prozess- und Produktverbesserungen sollen umgehend vom Labor in die Produktion einfließen. Wie gehen die jeweiligen Automatisierungspartner mit diesen Anforderungen um? Wie wollen sie die Betriebskosten bei optimaler Material- und Produktqualität senken und gleichzeitig bei der Branche wichtigen Themen wie Energieeffizienz und Ressourcenausnutzung punkten? Um zu überzeugen, müssen sie alle Teilprozesse der Batteriefertigung betrachten, die mit ihren spezifischen Anforderungen ein breites Automationsknow-how verlangen.

Layout einer Batteriefertigung. In jedem einzelnen Teilschritt gibt es einen hohen Bedarf an hoch effizienter und flexibler Automatisierungstechnik.

 

Elektroden in Highspeed beschichten…

Wiederaufladbare Batteriezellen werden in verschiedenen Formen hergestellt. Doch egal ob zylindrisch, prismatisch oder als Pouch-Zelle – jede neue Generation stellt spezifische Herausforderungen an die Fertigung und damit an die Automatisierung. Im Bestreben nach mehr Kapazität auf engerem Raum werden die darin gewickelten oder gefalteten Elektrodenfolien tendenziell immer dünner und ihre Beschichtung immer dicker. Um dabei eine für die Massenfertigung erforderliche Prozessgeschwindigkeit zu erreichen ohne die Qualität zu beeinträchtigen, ist ein hochgenaues Web-Handling nötig. Voraussetzung hierfür sind spezifische Funktionen, wie sie etwa die Steuerungssoftware der Motion Logic Control (MLC) von Bosch Rexroth mit ihren Bibliotheken zur Verfügung stellt. Das System basiert auf der Embedded-Steuerung XM und ermöglicht Submikrometer-genaue Bewegungsaufgaben mit über 200 verteilten Achsen. Für ein schnelles Engineering mit möglichst wenig Programmierarbeit sorgen einfach parametrierbare Steuerungsalgorithmen wie Geschwindigkeits-, Kraft-, Wegkontrolle und Synchronisierung.

Das Beschichten stellt höchste Ansprüche an die Fertigungsanlage, da es die Eigenschaften, Lebensdauer und Energiedichte maßgeblich beeinflusst.

 

… und strukturieren

Im Rahmen des hochgenauen Rolle-zu-Rolle-Verfahrens werden die beiden Elektroden mit zwei Separatoren zu einer Sandwichstruktur zusammengeführt und im Fall von zylindrischen Batterien zu einer Rolle aufgewickelt. Für prismatische Zellen müssen sie exakt gestanzt oder lasergeschnitten und flach gestapelt bzw. Z-förmig gefaltet werden. Zur Herstellung von Pouch-Zellen müssen die Elektrodenbahnen exakt geschnitten, gestapelt und verschweißt werden. Weil insbesondere das Stapeln und Verschweißen vergleichsweise zeitintensiv sind, führen Sie in der Regel zu empfindlichen Verzögerungen im Gesamtprozess.

Produktionsschritte verschiedener Zelltypen mit Bedarf an hocheffizienten Rolle-zu-Rolle-Prozessen und flexiblen Transportsystemen zur Beseitigung von Flaschenhälsen.

 

Flexibler Transport beseitigt Flaschenhälse

Um solche Flaschenhälse in der Herstellung von Batterien, Displays und anderen Elektronikprodukten zu beseitigen, hat Bosch Rexroth das Flexible Transport System FTS entwickelt. Es wird in Abhängigkeit von der zu transportierenden Masse dimensioniert und befördert die einzelnen Werkstückträgern unabhängig voneinander von Station zu Station. So ist stets eine maximale Beschleunigung möglich. Genaue Positionieraufgaben kann das Multi-Produkt-System gleich mitübernehmen. Durch eine flexiblere Layoutgestaltung lassen sich zeitintensivere Prozesse auch parallelisieren und die Produktivität damit verdoppeln. Mit diesen neuen Möglichkeiten, konnte in der Praxis bereits die Produktion von Notebooks- und Smartphone-Akkus um nahezu 200 Prozent gesteigert werden, ohne die Time-to-Market zu beeinträchtigen.

Mit dem Flexible Transport System FTS beseitigt Bosch Rexroth typische Engstellen in der Batterie-, Display- und Elektronikfertigung.

 

Batteriepacks schnell und stabil produzieren

Vor dem Schließen und Versiegeln muss die Batterie nun noch mit Elektrolyt befüllt werden. Möglichst vollständig, damit nur minimale Hohlräume im Separatorschaum bleiben. Weil die Flüssigkeit toxisch ist, muss der Vorgang schnell abgeschlossen sein, um die Umgebung nicht zu kontaminieren. Anschließend werden die einzelnen Batteriezellen zu Modulen zusammengefasst. Eine weitere Aufgabe der Automation besteht darin, auch die Gehäuse der Batteriepacks in großen Stückzahlen und bei minimalem Ausschuss zu produzieren. Zur Überwachung der Prozessstabilität und kontinuierlichen Verbesserung eignen sich Lösungen wie das IoT Gateway von Bosch Rexroth, das Sensor- und Steuerungsdaten erfasst und zur Analyse und Auswertung an Cloud-Plattformen oder On-Premises-Lösungen weiterleitet.

 

Hocheffiziente Modulfertigung mit Flexibilität

Der typische Aufbau eines Batterie-Packs besteht aus mehreren Zellen und einem Management- bzw. Kühlsystem. Damit die Hersteller ihre bestehenden Linien schnell bei Produktänderungen umstellen oder auf wechselnde Losgrößen reagieren können, ist anzuraten, Automatisierung und Handling zu standardisieren und zugleich für ausreichend Flexibilität zu sorgen. Hierfür kommt wiederum das flexible Transportsystem FTS in Frage, das sich dank seiner Skalierung für Produkte im Gewichtsspektrum von 1 g bis 2.000 kg auch für schwere Fahrzeugbatterien eignet.

 

Grüne Prozesse: effizienter Umgang mit Energie

Als Automatisierungsanbieter mit Multitechnologiekompetenz und der Fähigkeit, einfach und schnell Daten aus Maschinen und Anlagen zu erheben und zu analysieren, unterstützt Bosch Rexroth die Maschinenhersteller nicht zuletzt in Sachen grüne Prozesse. Mit der Rexroth 4EE-Systematik (Rexroth for Energy Efficiency) lassen sich auch in der Batteriefertigung viele Potenziale erschließen, um an Produktivität zu gewinnen und dabei Ressourcen zu sparen, Emissionen zu reduzieren und die Betriebskosten zu senken. Dies geschieht mithilfe von vier Hebeln, die über den gesamten Lebenszyklus wirken:

Rexroth 4EE: Die ganzheitliche Betrachtung von Maschinen und Anlagen über den gesamten Lebenszyklus gestattet eine nachhaltige Einsparung von Energie, Emissionen und Betriebskosten bei steigender Produktivität.

 

Produktivitätsanforderungen erfordern volle Expertise

Trotz der vielfältigen Herausforderungen in der Batteriefertigung ist die Situation aus Sicht eines erfahrenen Automatisierungspartners nicht neu. Die Experten von Bosch Rexroth haben bereits den entsprechenden Wandel in der Solar-, Photovoltaik und Halbleiterindustrie unterstützt und können Anwender und Maschinenhersteller deshalb kompetent beraten. In den Lösungsbereich Rolle-zu-Rolle sind über 20 Jahre Expertise aus der Druckindustrie eingeflossen. Einen wichtigen Beitrag zur Verkürzung der Time-to-Market leistet darüber hinaus das Open Core Engineering, welches die Simulation und virtuelle Inbetriebnahme neuer Automationslösungen erlaubt. Für die kontinuierliche Prozessverbesserung und eine zustandsbasierte Wartung setzt Bosch Rexroth auf offene Standards wie OPC UA. Gemeinsam mit innovativen Systemlösungen wie dem FTS, weltweitem Service und einem internationalen Netzwerk an Maschinenbauern sind so die Voraussetzungen für einen schnellen und anhaltenden Erfolg im Markt gegeben.

Über den Autor:

ist Business Development Manager Industry Sector Semicon, Electronic Manufacturing and Flat Panel Display bei Bosch Rexroth. Zu Beginn seiner Karriere sammelte er dort als Projektmanager umfangreiche Erfahrung in der Beratung und Unterstützung globaler OEMs in der Halbleiter-, Flachbildschirm- und gedruckten Elektronikindustrie. Sein Spezialgebiet liegt in der Anwendung von Motion-Control- und Automatisierungslösungen vom Prototypenbau bis zur Massenfertigung. Hans Niessen studierte Steuerungssysteme an der Technischen Universität Eindhoven und erwarb dort einen Master-Titel.

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