Fabriksimulation: So gelingt die Verzahnung von Fertigungsplanung und Engineering

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Ein Hersteller von metallfreien Flussbatterie-Speichern an 100 Megawattstunden zieht einen Automatisierungsexperten zur Gestaltung seines Produktionsprozesses heran. Gemeinsam setzen sie auf Fabriksimulation zur Planung der Anlage.

Fabriksimulation für die grüne Zukunft: Um Strom aus Photovoltaik und Windenergie besser nutzen zu können, gilt es, mehr Energie für dunkle und windarme Zeiten zu speichern. Dafür zeichnen sich Lösungen ab: Die Jena Batteries GmbH beispielsweise entwickelt mit Redox-Flow-Batterien Großspeicher, mit denen sich die Schwankungen bei der Erzeugung erneuerbarer Energie ausgleichen lassen. Wichtiger Vorteil: Die Flussbatterien sind metallfrei und benötigen weder Lithium, Mangan noch Kobalt. Sie speichern grüne, saubere Energie ohne Raubbau an der Natur und menschenunwürdige Arbeitsbedingungen. Mit diesen Flussbatterien stehen beispielsweise industriellen Großkunden brandsichere und skalierbare Speicherlösung ab 100 Megawattstunden bereit. Damit können diese Unternehmen einen nachhaltigen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel leisten.

Automatisieren und optimieren

Um die Großspeicher 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. Der Batterie-Hersteller wollte eine automatisierte Produktion für eine Kernkomponente aufbauen: Der Zellstapel – auch Stack genannt – besteht aus verschiedenen, aufeinander gestapelten Materialien. Es gilt, für jede Zelle über 300 Einzelteile aufeinanderzustapeln und im Anschluss miteinander zu verpressen.

Zu Beginn des Beratungsprojekts haben die Partner mehrere Lösungsansätze für Produktion und Montage entwickelt. Dabei mussten sie neben der technischen Machbarkeit und den Kosten viele Fragen klären: 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 lässt sich die Taktzeit senken, um die geforderte Stückzahl zu erzielen? Wie kann die Produktion möglichst nachhaltig gestaltet werden? Und wie lässt sich die Fertigung zu einem späteren Zeitpunkt skalieren, um einer möglichst wachsenden Nachfrage gerecht zu werden?

Auslegung mittels Fabriksimulation

Zur Beantwortung der Fragen nutzten die Projektierer ein Fabrikmodell, wobei sich Ecosphere Intralogistics für den Einsatz der Software von Visual Components entschieden hat. Mit der Fabriksimulation kann der Automatisierungsexperte virtuelle Modelle von kompletten Produktionsanlagen aufbauen und auf diese Weise Fragen zu Platzbedarf, Maschinenanordnung, Materialfluss, Zwischenlager, Taktzeiten, Stückzahlen und vielem mehr anhand eines virtuellen Modells am Bildschirm beantworten.

Alexander Schiffer, Geschäftsführer von Ecosphere, kommentiert: „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 ein bestehendes System simuliere und optimiere – Visual Components hilft mir, ein gemeinsames Verständnis zu schaffen.“ Mit der Software für die 3D-Fabrikplanung und -simulation kann er Produktionsanlagen mithilfe einer Bibliothek von mitgelieferten Fabrikkomponenten entwerfen, planen und simulieren. Die Nutzer der Software können so „digitale Zwillinge“ erstellen – von einzelnen Produktionszellen bis hin zu kompletten Fabriken. Ein solcher digitaler Zwilling erlaubt die Planung und Optimierung der Produktion sowie eine virtuelle Inbetriebnahme.

Roboter simulieren und programmieren

Für die Produktion der Batteriezellen ist eine manuelle Vormontagestation vorgesehen: Ein Mitarbeiter legt schwere Bauteile – bei Bedarf mit einem Hebebalg – auf einen Werkstückträgerwagen und nimmt erste Montagetätigkeiten vor. Anschließend fährt er den Wagen in eine automatisierte Station. In Zukunft soll das ein mobiler Roboter übernehmen. In der automatisierten Station führen mehrere Roboter die Montage der über 300 Bauteile für den Batterie-Stack durch. Danach geht der Stack an eine Pressvorrichtung und gelangt anschließend durch ein Qualitätskontrolle in die Endmontage.

Die, in der Fabriksimulation mitgelieferte Roboter-Bibliothek, enthält wichtige Attribute wie Bewegungsparameter von Modellen von Herstellern wie Kuka, Universal Robots und Stäubli. Die Geometriedaten der zu montierenden Bauteile kann der Nutzer direkt aus dem CAD-System in das 3D-Fabrikmodell übernehmen und so am virtuellen Modell Analysen zur Reichweite des jeweiligen Roboters sowie Kollisionsprüfungen durchführen. Mittels Zeit- und Bewegungssimulationen können die Nutzer Nebenzeiten verringern, Taktzeiten minimieren und die gesamte Anlage optimieren. Selbst die Programmierung der Roboter können sie in der Simulations-Lösung erledigen, so dass sie für Änderungen an Produkten oder Prozessen die Anlage zumindest nicht zur Programmierung stilllegen müssen. So lassen sich Umbauten und Produktwechsel mit möglichst geringen Aufwand umsetzen.

Flexibel reagieren dank Fabriksimulation

Alexander Schiffer erläutert: „Dieses Projekt war eine dynamische Umgebung, bei der sich die Rahmenbedingungen fast wöchentlich geändert haben. Die Flexibilität des Fabrikmodells ermöglicht eine agile und flexible Zusammenarbeit.“ Da sich die Batteriezelle damals noch in Entwicklung befand, mussten die Projektierer eine Anlage planen, die sich flexibel anpassen lässt: „Wir haben sämtliche Kernkomponenten der Maschine so modular und flexibel wie möglich gehalten. Wir entwickelten auch schon früh Komponenten, wie zum Beispiel die Werkstückträgerwagen, die zunächst von Hand verfahren werden, aber jetzt schon für eine spätere Automatisierung vorbereitet sind.“

Das Fabrikmodell liefert auch wichtige Informationen für das Management: Philipp Hammans, CEO von JenaBatteries, erklärt: „Die Visualisierungen 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.“ Zudem konnte das Unternehmen dank der detaillierten Simulationen die künftige Investition genauer quantifizieren. Beispielsweise konnte Hammans mit dem von Ecosphere ermittelten Flächenbedarf arbeiten. Das ermöglichte es, frühzeitig nach einer passenden Immobilie zu suchen – in der aktuellen Zeit von teils deutlichen Preissteigerungen ist das eine Menge Geld wert.

Der Autor Chris Douglass ist Managing Director der Visual Components GmbH.

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