Automatisierte Produktion von Batteriezellen

Um ein solch innovatives Produkt schnell und erfolgreich auf den Markt zu bringen, müssen Produktentwicklung und Fertigungsplanung Hand in Hand gehen. JenaBatteries suchte nach Expertise auf dem Gebiet der Fertigung und ließ sich von der ECOSPHERE Intralogistics GmbH beraten, die Unternehmen bei der Planung von Produktion, Intralogistik und Automatisierung unterstützt.

JenaBatteries wollte eine automatisierte Produktion für eine der Kernkomponenten der Redox-Flow-Batterien aufbauen – den Zellstapel. Dieser sog. „Stack“ besteht aus verschiedenen, aufeinander gestapelten Materialien; insgesamt müssen für jede Zelle über 300 Einzelteile aufeinander gestapelt und im Anschluss miteinander verpresst werden.

Wie kann die Produktion optimiert werden?

Zu Beginn des Beratungsprojekts werden mehrere Lösungsansätze für Produktion und Montage entwickelt. Dabei mussten neben der technischen Machbarkeit und den Kosten zahlreiche weitere Fragen beantwortet werden: Wie hoch ist der Platzbedarf für die Produktion? Wie werden die Maschinen optimal angeordnet? Wie ist der Materialfluss in der Produktion? Wie groß ist die Reichweite der Roboter? Wie kann die Taktzeit gesenkt werden, um die geforderte Stückzahl zu erzielen? Wie kann die Produktion möglichst nachhaltig gestaltet werden? Und wie kann die Fertigung zu einem späteren Zeitpunkt skaliert werden, um einer hoffentlich wachsenden Nachfrage gerecht zu werden?

Auslegung von Produktionsanlagen mit Visual Components

Alle diese Fragen können am besten mit einem Fabrikmodell beantwortet werden. ECOSPHERE Intralogistics hat sich hier für den Einsatz der Fabriksimulationssoftware von Visual Components entschieden. Mit Visual Components kann das Unternehmen virtuelle Modelle von kompletten Produktionsanlagen aufbauen. So können alle Fragen wie Platzbedarf, Maschinenanordnung, Materialfluss, Zwischenlager, Taktzeiten, Stückzahlen usw. am Bildschirm beantwortet werden.

Alexander Schiffer, Geschäftsführer von ECOSPHERE Intralogistics, berichtet von seinen Erfahrungen: „Es gibt kaum noch ein Meeting, in dem ich Visual Components nicht geöffnet habe. Ob ich mit Neukunden gemeinsam eine erste Idee skizziere, oder ob ich mit einem Kunden ein bestehendes System simuliere und optimiere – Visual Components hilft mir, ein gemeinsames Verständnis zu schaffen.“

Mitgeliefert – eine umfangreiche Bibliothek von Fabrikkomponenten

Visual Components ist eine der weltweit führenden Lösungen für die 3D-Fabrikplanung und -simulation. Mit der Software können Produktionsanlagen mithilfe einer Bibliothek von mitgelieferten, vorgefertigten Fabrikkomponenten entworfen, geplant und simuliert werden. Man kann „digitale Zwillinge“ erstellen – von einzelnen Produktionszellen bis zu kompletten Fabriken; ein solcher digitaler Zwilling ermöglicht die Planung und Optimierung der Produktion und sogar eine virtuelle Inbetriebnahme.

Der Stammsitz von Visual Components ist in Finnland, aber die Software wird weltweit in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt, vom Maschinenbau über die Automobilindustrie bis zur Verpackungsindustrie und Logistik. Da es unterschiedliche Ausbaustufen der Software gibt, ist Kauf oder Miete auch für kleinere Unternehmen erschwinglich.

Simulation und Programmierung von Robotern

Für die Produktion der Batteriezellen ist eine manuelle Vormontagestation vorgesehen, in der ein Mitarbeiter unter anderem mit einem Hebebalg schwere Bauteile auf einen Werkstückträgerwagen legt; danach werden erste Montagetätigkeiten vorgenommen. Anschließend wird der Wagen in eine automatisierte Station gefahren. Das geschieht im ersten Schritt von einem Mitarbeiter; in Zukunft wird das ein mobiler Roboter übernehmen. In der automatisierten Montagestation führen dann mehrere Roboter die Montage der über 300 Bauteile für den Batterie-Stack durch. Danach geht der Stack in eine Pressvorrichtung und kommt dann weiter zur Qualitätskontrolle und Endmontage.

In der von Visual Components mitgelieferten Roboter-Bibliothek sind alle wichtigen Attribute hinterlegt, z. B. die Bewegungsparameter der Roboter von namhaften Herstellern wie KUKA, Universal Robots und Stäubli. Die Geometriedaten der zu montierenden Bauteile können direkt aus dem CAD-System in das 3D-Fabrikmodell von Visual Components übernommen werden. So können am virtuellen Modell sehr einfach Analysen zur Reichweite von Robotern und zur Vermeidung von Kollisionen vorgenommen werden.

Auch exakte Zeit- und Bewegungssimulationen können durchgeführt werden. So kann man Nebenzeiten verringern, Taktzeiten minimieren und die gesamte Anlage optimieren. Auch die Programmierung der Roboter kann mit Visual Components vorgenommen werden, so dass man bei Änderungen an Produkten oder Prozessen die Anlage nicht zur Programmierung stilllegen muss.

Mit dem Fabrikmodell flexibel auf Herausforderungen reagieren

Für Alexander Schiffer von ECOSPHERE Intralogistics war es wichtig, dass das Fabrikmodell von Visual Components einfach an die sich schnell ändernden Anforderungen angepasst werden konnte: „Dieses Projekt war kein klassisches Maschinenbauprojekt, in dem es ein Pflichten- und Lastenheft gibt, sondern eine dynamische Umgebung, bei der sich die Rahmenbedingungen fast wöchentlich geändert haben. Die Flexibilität des Fabrikmodells von Visual Components ermöglichte eine agile und flexible Zusammenarbeit zwischen JenaBatteries und ECOSPHERE.“

Da sich die Batteriezelle damals noch in Entwicklung befand, musste eine Anlage geplant werden, die sich flexibel an Bauteile und Prozesse anpassen lässt: „Wir haben sämtliche Kernkomponenten der Maschine so modular und flexibel wie möglich gehalten. Wir hatten ein optimales Bild der fertigen Anlage vor Augen und entwickelten auch schon früh Komponenten, wie zum Beispiel die Werkstückträgerwagen, die zu Beginn von Hand verfahren werden können, aber jetzt schon für eine spätere Automatisierung vorbereitet sind.“

Fabriksimulation kann viel Geld einsparen

Das Fabrikmodell von Visual Components lieferte auch sehr informative Bilder für das Management. Philipp Hammans, CEO von JenaBatteries GmbH, blickt zurück: „Die Visualisierungen durch Visual Components haben uns enorm bei der strategischen Planung geholfen – insbesondere, weil ich schnell überblicken konnte, wie der aktuelle Stand der Automatisierung ist. Gerade in unserer Skalierungsphase machen es solche Tools viel einfacher, fundierte Entscheidungen zu treffen.“

Alexander Schiffer: „Außerdem konnte JenaBatteries dank der detaillierten Berechnung und Simulation mit Visual Components seine zukünftige Investition genauer quantifizieren. Beispielsweise konnte er den Flächenbedarf für die Produktionshalle ermitteln. Das ermöglichte es JenaBatteries, frühzeitig nach einer passenden Immobilie zu suchen; das kann in der heutigen Zeit mit den aktuellen Preissteigerungen eine Menge Geld sparen.“

Großzügige Unterstützung für Start-up-Unternehmen

ECOSPHERE® Intralogistics GmbH hat von einem neuen Angebot von Visual Components profitiert, das sich ganz speziell an Start-up-Unternehmen wendet. Junge Unternehmen können bis zu drei vollwertige Lizenzen von Visual Components zu sehr attraktiven Konditionen erwerben. Der Einstieg wird erleichtert durch geringe Investitionskosten während der Startphase des jungen Unternehmens. Am Ende des 3-jährigen Programms können die Lizenzen in eine permanente Nutzung überführt werden. Das Start-up-Angebot von Visual Components ermöglicht es auch jungen, kleinen Unternehmen, Fertigungsprozesse mit professionellen Software-Tools zu optimieren.

Alexander Schiffer ist dankbar für diese Möglichkeit: „Davon profitieren auch unsere Kunden. Denn neben der Nutzung als Tool für Planung und Vertrieb wollen wir in Zukunft auch Fabriksimulation für komplexe Produktionsanlagen als Dienstleistung anbieten. Wer also einen Partner sucht, der solche Simulationen durchführt, kann gerne auf uns zukommen.“

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Einer der weltweit führenden Anbieter von Automations-, Linear- und Antriebstechnik ist die Güdel Group, mit Hauptsitz in Langenthal in der Schweiz. Seit ihrer Gründung im Jahr 1954 ist sie im Besitz der Eigentümerfamilie. Das Unternehmen beschäftigt weltweit rund 1.200 Mitarbeitende an über 30 Standorten. Die Produktpalette reicht von Linearführungen, Zahnstangen, Ritzeln und Getrieben über Linearachsen hin zu Portalrobotern.

Güdel bietet neben solchen Automatisierungskomponenten auch Komplettanlagen, z. B. für die Herstellung von Bauelementen für Fertighäuser, für die Palettierung von Lebensmitteln und für die Lagerung, Sortierung und Kommissionierung von Produkten aller Art. Ein Beispiel für eine solche Anlage ist eine von Güdel geplante Automatisierungslösung für die Sortierung, Lagerung und Palettierung von Reifen nach der Fertigung bis zum Versand.

Die Sortierung erfolgt durch Zwischenlagerung im Puffer

Nach der Produktion gelangen die Reifen in zufälliger Reihenfolge über die Infeed-Fördertechnik zunächst zu einem Barcodescanner, der den Barcode des Reifens ausliest und an den Materialflussrechner sendet. Dieser entscheidet, zu welchem Puffer der Reifen gehen soll. Dann entnimmt die für den Puffer zuständige Portalbrücke den Reifen, und ein Greifer, der sich an Linearachsen und Portalen über den Lagerbereich bewegt, legt ihn auf einen bestehenden Stapel desselben Typs oder bildet einen neuen Stapel. Aus Stabilitätsgründen ist die Stapelhöhe auf maximal 1,6 m Höhe begrenzt. Innerhalb des Puffers, in dem bis zu 8.000 Reifen Platz finden, wird ein Reifentyp so lange zwischengelagert, bis genügend Reifen vorhanden sind, um eine komplette Palette für den Abtransport zu füllen. Sobald ein kompletter Reifensatz fertiggestellt ist, wird der Stapel von einem Greifer erfasst und zu einer Palettiereinheit transportiert. Um den geforderten hohen Durchsatz von 12.000 Reifen pro Tag zu erreichen, sind mehrere Greifer an mehreren Portalbrücken im Einsatz. Diese Greifer bewegen sich dabei mit Geschwindigkeiten bis zu 3,5 m/sec in der Y-Achse und Beschleunigungen bis zu 5 m/sec² in der Z-Achse.

Obwohl in solchen Anlagen viele Standardkomponenten von Güdel zum Einsatz kommen, so handelt es sich doch jeweils um eine kundenspezifische Aufgabe, denn die Größe der Halle, die Abmessungen und Gewichte der zu palettierenden Güter und die Anforderungen an den Durchsatz sind jedes Mal unterschiedlich. Die Komplexität und die hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Durchsatz machen es erforderlich, eine leistungsfähige Lösung für die Fabrikplanung und Simulation zu verwenden. Güdel hat mit der Lösung von Visual Components ein ideales System gefunden. Mit der Software zur 3D-Fabriksimulation des finnischen Herstellers kann Güdel seine Produktionslösungen entwerfen, simulieren und validieren.

Die Anlage wurde vollständig virtuell mit Visual Components geplant

Ausgangspunkt bei der Planung einer solchen Anlage ist üblicherweise ein 2D-Layout, das mit dem Kunden abgestimmt wurde. Ausgehend von diesem Entwurf werden Fabrikkomponenten zu einer Anlage zusammengestellt. Dabei kann man auf die von Visual Components mitgelieferte Bibliothek zugreifen; Güdel hat aber auch zahlreiche Komponenten (Güdel Smart Components wie Linearachsen, Portale und Roboter) selbst erstellt und in eine benutzerdefinierte Bibliothek eingestellt. Da in solchen Projekten die Verfahrwege der Brücken sehr dynamisch sind, wird die Simulationslogik mit Python abgebildet. Dafür hat Güdel eine eigene Python-Bibliothek entwickelt, die auf den Geschäftsbereich „Sorting and Palletizing“ zugeschnitten ist. Dank all dieser Bibliotheken können die Planungszeiten für solche Anlagen auf einen Bruchteil reduziert werden.

Jonathan Camenzind von der Abteilung „Software Technologies“ der Güdel AG kümmert sich zusammen mit seinen Kollegen um die Software von Komplettanlagen, also die Programmierung von Materialflussrechner und Lagerverwaltungssystem. Dazu wurde der Teil der Anlage, der in den Zuständigkeitsbereich von Güdel fällt, komplett mit Visual Components abgebildet. So konnte die Anlage vollständig virtuell gemäß der Spezifikation gebaut werden, man konnte Statistiken sammeln und mögliche Performanceprobleme in der Anlage frühzeitig entdecken und beseitigen.

„Einen großen Teil meiner Arbeitszeit widme ich der Erstellung von 3D-Simulationen mit Visual Components“, sagt Camenzind. „Mithilfe von Visual Components haben wir für dieses Projekt eine detaillierte Simulation erstellt. Dadurch konnten wir unter anderem Zykluszeiten, Portalauslastungen und Pufferauslastungen in diversen Szenarien genau analysieren.“

Mithilfe von Visual Components haben wir für dieses Projekt eine detaillierte Simulation erstellt. Dadurch konnten wir unter anderem Zykluszeiten, Portalauslastungen und Pufferauslastungen in diversen Szenarien genau analysieren.

Jonathan Camenzind, Software Technologies Department, Güdel AG

Erfüllt die Anlage die Anforderungen des Kunden? Die Simulation kennt die Antwort

Wie kann Güdel sicherstellen, dass die Anlage die vom Kunden geforderte Leistung erbringt? Genau darin sieht Camenzind einen der wesentlichen Vorteile der Fabriksimulation mit Visual Components: „Dank der Auswertungen von Zykluszeiten und Auslastungen der Portalbrücken konnten wir sicherstellen, dass die Anlage den Anforderungen des Kunden in Bezug auf den Durchsatz gerecht wird. Durch die Simulation wurde außerdem ersichtlich, dass die Anzahl der Pufferplätze ausreichend ist.“

Aber muss Güdel für die Simulation nicht einen erheblichen Aufwand treiben? „Dank der Bibliotheken von Visual Components und der Ergänzungen durch Güdel betragen die Entwicklungszeiten für solche Projekte nur noch einen Bruchteil der bisher dafür benötigten Zeit,“ so Herr Camenzind. „Mithilfe der Smart Components in der Software von Visual Components kann ich beispielsweise ganz einfach die Lager, Brücken, Infeeds und Outfeeds visuell untereinander verbinden. Für die erste Version der kompletten Anlage inklusive der Programmierung von Materialflussrechner etc. habe ich nur rund 100 Stunden aufgewendet. Für weitere Szenarien kamen in den folgenden Wochen dann noch rund 80 Stunden dazu.“

Dank der Bibliotheken von Visual Components und der Ergänzungen durch Güdel betragen die Entwicklungszeiten für solche Projekte nur noch einen Bruchteil der bisher dafür benötigten Zeit. Mithilfe der Smart Components in der Software von Visual Components kann ich beispielsweise ganz einfach die Lager, Brücken, Infeeds und Outfeeds visuell untereinander verbinden.

Jonathan Camenzind, Software Technologies Department, Güdel AG

Simulation kann auch helfen, neue Aufträge zu gewinnen

Auch der Kunde war von der Lösung angetan, so Camenzind: „Die Simulation mit Visual Components wurde auch von unserem Kunden sehr positiv gesehen.“ Es erhöht das Vertrauen des Kunden in den Anlagenbauer, wenn er eine ausgefeilte Simulation der geplanten Anlage sehen kann. Und das trägt sicher auch dazu bei, Aufträge zu gewinnen und die Grundlage für weitere Erfolge in der Zukunft zu legen.

Wenn Sie selbst eine ähnliche Anlage von Güdel in Betrieb sehen wollen: Dieses interessante Video zeigt eine Anlage zur Lagerung und Sortierung von Kompletträdern:

Über Güdel Group

Einer der weltweit führenden Anbieter von Automations-, Linear- und Antriebstechnik ist die Güdel Group, mit Hauptsitz in Langenthal in der Schweiz. Seit ihrer Gründung im Jahr 1954 ist sie im Besitz der Eigentümerfamilie. Das Unternehmen beschäftigt weltweit rund 1.200 Mitarbeitende an über 30 Standorten. Die Produktpalette reicht von Linearführungen, Zahnstangen, Ritzeln und Getrieben über Linearachsen hin zu Portalrobotern.

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