Die Industrie befindet sich – wie zahlreiche andere Branchen auch – inmitten eines Wandels. Die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung bringen neue Technologien und Prozesse, aber vor allem viel Potenzial für Automatisierung und Optimierung mit sich.
Batteriezellenfertigung mit hohem Durchsatz
Ob für Smartphones oder Elektrofahrzeuge, die Nachfrage für kompakte, zuverlässige und langlebige Batterien sorgt dafür, dass viele führende Batteriehersteller auf schnellstem Wege neue Fertigungskapazitäten schaffen müssen. Die Entwicklung von hochautomatisierten Batteriemontagelinien dauert jedoch gewöhnlich mehrere Monate. Kann dieser Zeitrahmen verkürzt werden?
DWFritz Automation (Wilsonville, Oregon/USA) ist ein weltweit führender Anbieter von Automatisierungslösungen sowie Präzisionsmess- und Inspektionstechnik für die moderne Fertigung. Das Unternehmen stellte kürzlich einem nordamerikanischen Batteriehersteller eine neue, flexible und vollautomatisierte Batteriefertigungslinie mit hohem Durchsatz bereit – und das in Rekordzeit.
Chris Povich, CSO des Unternehmens, sagte: „Bei DWFritz geht es um Mikrometer und Millisekunden. Die Fertigungsherausforderungen, die uns unsere Kunden stellen, lassen sich nur mit hohen Geschwindigkeiten, fortschrittlichem Material-Handling, Prozessautomatisierung und extrem hoher Präzision meistern. Das sind unsere Kernkompetenzen, die wir einbringen können.“
Die Komplexität des Projekts und die kurze Entwicklungszeit verlangten nach einem strategischen Partner mit Erfahrung in mehreren Technologiebereichen und der Fähigkeit zur Arbeit in einer simultanen Engineering-Umgebung, damit der Entwicklungsdurchlauf und die Projektausführung beschleunigt werden konnten. Die Wahl fiel dabei auf Bosch Rexroth.
Bereitstellung in Rekordzeit – Nicht ohne zuverlässigen Partner
Die Batteriefertigung ist unabhängig von Größe und Form ein mehrstufiger Prozess, bei dem ungleiche Materialien zusammengeführt werden, um Kathode und Anode der Batterie zu bilden. Zusammen mit dem Leiter entsteht dann ein fertiges Endprodukt. Die Batterien von heute werden immer kleiner und bieten immer höhere Energiedichten. Daher mussten DWFritz und Bosch Rexroth besonders strenge Montagetoleranzen einhalten. Weiterhin waren hohe Durchsätze und mehrere Echtzeitinspektionen notwendig. Auch die Datenerfassung und Kommunikation mit Kontrollsystemen auf Maschinen- und Anlagenebene waren Grundvoraussetzungen für diese Aufgabe.
Laut Povich waren mehrere wichtige Entwicklungs- und Betriebsanforderungen ausschlaggebend bei der Entscheidung für Bosch Rexroth als Partner bei diesem Projekt: „Die Fertigungslinie musste bei sehr hohen Geschwindigkeiten laufen. Auch der Platzbedarf war eine Herausforderung. Die Fertigungslinie ist zwar mehr als 30 Meter lang, dennoch musste sie auf einer sehr kleinen Fläche Platz finden. Außerdem muss die Bewegungsplattform sehr robuste Bewegungssteuerungsbefehle ausüben. Ein System hat allein schon über 50 Bewegungsachsen.“
Laut DWFritz-Vorstand Mukesh Dulani war die größte Herausforderung die kurze Zeit: „In der Vergangenheit hätten wir mit mehreren Zulieferern zusammengearbeitet. Aber nur der Zusammenarbeitsstart dieser verschiedenen Zulieferer hätte mindestens 10 bis 15 Wochen in Anspruch genommen. Für dieses Projekt hatten wir nur 12 Wochen Zeit für Planung und Konstruktion und weitere 8 Wochen für die Beschaffung. Deshalb war es nötig, mit einem Partner wie Bosch Rexroth zusammenzuarbeiten, der uns Technologie und Engineering-Support bereitstellte.“
Matthias Aberle ist Senior Vice President von Bosch Rexroth Nordamerika und verantwortlich für die Geschäftsbereiche Fertigung, Engineering und Fabrikautomatisierung. Für ihn ist die Partnerschaft mit führenden Maschinenbauern und Integratoren ein wichtiger Schritt für den zeitnahen Aufbau der Fabrik der Zukunft: „Die Herausforderung, die wir alle meistern müssen, liegt darin, dass unsere Kunden bessere Ergebnisse fordern und dass offenere und innovativere Systeme Echtzeitdaten von Maschinen aus der Werkshalle an Orte übertragen sollen, an denen sie effektiver genutzt werden können. Dafür gehen wir Partnerschaften mit Technologie-Stakeholdern wie DWFritz ein, um mit vereinten Kräften wesentliche Transformationen in der Automatisierungsbranche voranzutreiben.“
Bosch Rexroth stellte eine Vielzahl von Technologien und Systemen bereit, um für die Batteriefertigung eine komplexe Multi-Technologie-Produktlinie aufzubauen. Dazu zählen:
- Mehrere Fördersysteme zum Transport der Batterien innerhalb und zwischen den Produktionszellen
- Lineare Präzisionsmodule für Handling-Systeme im Gantry-Stil
- Aluminium-Strukturprofile
- Eine Komplettlösung mit fortschrittlichen Bewegungssteuerungs- und Antriebssystemen, u. a. mit einer der ersten Implementierungen der neuen Automatisierungsplattform ctrlX AUTOMATION von Bosch Rexroth.
Das Automatisierungssystem ctrlX AUTOMATION und die Steuerung ctrlX CORE waren nicht nur für den Erfolg des Projekts verantwortlich, sie ermöglichen dem Kunden zusätzlich den Aufbau zukünftiger Fertigungslinien unter Verwendung derselben Software- und Hardware-Plattform.
Dulani sagte: „Eines unserer Hauptziele war eine offene Maschinensteuerungsarchitektur, sodass die Server unseres Kunden Echtzeitdaten der Maschine direkt abfragen können. Das Automatisierungssystem ctrlX AUTOMATION und die dazugehörige Steuerungsplattform ctrlX CORE waren nicht nur für den Erfolg des Projekts verantwortlich, sie ermöglichen unserem Kunden zusätzlich den Aufbau zukünftiger Fertigungslinien unter Verwendung derselben Software- und Hardware-Plattform.“ ctrlX AUTOMATION umfasst sowohl Hardware als auch Software. Das konsequent offen gestaltete und webbasierte echtzeitfähige Linux-Betriebssystem ermöglicht es Anwendenden, Automatisierungsfunktionen über eine App zu erstellen, hinzuzufügen oder zu teilen. Sogar ein Kauf dieser Funktionen über den ctrlX Store von Bosch Rexroth ist möglich. Damit ist Automatisierung so einfach wie die Nutzung eines Smartphones.
Darüber hinaus können Steuergeräte von Bosch Rexroth auch Feldgeräte von Drittanbietern über eine deterministische Echtzeit-Kommunikationsplattform verwalten. So werden fortschrittliche Kameralösungen unterstützt und die Produktionsmodule nach derselben Echtzeit-Kontrolluhr synchronisiert. ctrlX AUTOMATION zeichnet sich durch seine Benutzerfreundlichkeit und Offenheit aus, was entscheidende Eigenschaften sind, dank derer das Team dieses komplexe und auf Zusammenarbeit basierende Projekt fristgerecht abschließen konnte. Die Plattform unterstützt alle gewünschten Programmiersprachen und beschränkt sich nicht auf proprietäre Plattformen. Dank der webbasierten Systemkonfiguration lässt sich die Plattform schnell, einfach und ohne weitere Softwareinstallationen starten. In der komplett virtuellen Entwicklungsumgebung konnte das Team einen „digitalen Zwilling“ der Kommunikationsplattform zwischen MES und den Automatisierungssteuergeräten erstellen, was viel Zeit sparte.
Dave Hull, Regional Vice President von Bosch Rexroth, beschrieb es so: „Mit der Nutzung eines digitalen Zwillings hatten die Ingenieure von DWFritz eine Softwareplattform zur Hand, die sie sofort nutzen konnten. Monate vor dem Erhalt der Hardware testeten sie bereits alle Systeme auf ihre Funktion und auf ihre Schnittstellenfähigkeit mit dem MES-System des Batterieherstellers. Dadurch bekamen wir einen immensen Vorsprung.“
Technologien von Rexroth bieten präzise Bewegung und hohen Durchsatz
DWFritz baute die Fertigungszellen für die Batterielinie basierend auf ihrer innovativen und flexiblen DWFritz DFP5000-Plattform. Diese flexible und modulare Plattform kann kundenspezifisch mit Steuerungen, Servoantrieben und Transporteinzügen für bestimmte Prozesse angepasst werden. Laut Martin Bamberger, Staff Engineer bei DWFritz, sind kinematische Präzisionswerkzeuge grundlegende Elemente zahlreicher Produktionszellen, die ein weites Spektrum an Montage- und Inspektionsaufgaben ausführen: „Für die korrekte Ausrichtung aller Batteriekomponenten mit Toleranzen zwischen 20 und 50 Mikrometern in einem Montage- und Verarbeitungsprozess mit hohen Durchsätzen sind Präzisionskomponenten gefragt.“
Für die erforderliche Präzision und funktionale Effizienz sorgen die kompakten Linearmodule CKK von Rexroth. Mike Ziencina, Sales Manager bei Rexroth, sagte: „Unsere Module sind sehr kompakt und bieten eine hohe Präzision mit einer Wiederholgenauigkeit im 5-Mikometer-Bereich.“ Die Module wurden kombiniert, um vielfältige Kinematiklösungen abzudecken, zum Beispiel Pick-and-Place-Systeme mit kartesischen Robotern, die in der DFP5000-Zelle integriert wurden.
Ein weiterer wichtiger Technologiebeitrag von Bosch Rexroth war das motorintegrierte Servosystem IndraDrive Mi, das an den Web Handling-Stationen genutzt wird, an denen die erste Phase der Batteriefertigung stattfindet. IndraDrive Mi ist ein System ohne Schaltschrank, das Servoantrieb und Motor kombiniert und je nach Anwendungsanforderungen eine flexible Konnektivität bietet. Dadurch konnte das Team alle elektrischen Antriebskomponenten direkt in die Maschine integrieren, um Stellfläche und Einrichtungszeit einzusparen.
Aufgrund der Geschwindigkeit und Komplexität dieser Fertigungslinie war die Sicherheit ein wichtiger zu beachtender Faktor. Bosch Rexroth bietet umfangreiche und hochmoderne Lösungen zur Maschinensicherheit, darunter integrierte Sicherheits SPS mit Automatisierungssteuergeräten, die integrierte und fortschrittliche Sicherheitstechnik SafeMotion in den Servoantrieben sowie Sicherheits-E/A und integrierte Sicherheits-Kommunikationsunterstützung mit PROFIsafe.
Für das Produkt-Handling waren die Förderer von Bosch Rexroth ausschlaggebend für den Projekterfolg. Bei der Entscheidung über die passenden Förderer berücksichtigte das Team u. a. die Größe des zu produzierenden Produkts, sein Gewicht, die Durchsatzgeschwindigkeiten und die erforderliche Haltegenauigkeit. Am Ende erwies sich der VarioFlow plus-Förderer als trägerbasierte Lösung als beste Plattform. VarioFlow plus ist ein flexibles, modulares Kettenfördersystem aus Kunststoff, das dank seiner Konstruktionsvielseitigkeit hochvolumige Produkte horizontal, vertikal, um Hindernisse herum oder anderweitig bewegen kann. Werkstückträger können zusammen mit VarioFlow plus verwendet werden, wenn es beim Produkttransport auf Positionierung und höhere Präzision ankommt.
In den Montagezellen sind zahlreiche Automatisierungskomponenten eng verbaut und das VarioFlow plus-System ermöglicht dennoch viele Prozesse, bei denen die Trägerposition im Fördersystem über viele Werkzeuge hinweg beibehalten werden kann. Darüber hinaus erleichtert VarioFlow plus den Aufbau eines Rückführsystems, um die leeren Träger wieder an den Ausgangspunkt zurückzuführen und den Prozess erneut zu starten, wodurch viel wertvoller Platz eingespart werden konnte. Bosch Rexroth arbeitete außerdem eng mit DWFritz zusammen an einer offenen Architektur der Fertigungslinie.
Simultan arbeitende Partner sind die Zukunft der Automatisierung
Der Engineering-Prozess und die Entwicklungspartnerschaft dieses Projekts, das Systementwicklung, Programmierung sowie Komponentenbeschaffung und -integration mit straffen und sich überlappenden Zeitrahmen umfasste, werden sich zum Standardansatz für komplexe Automatisierungsprojekte entwickeln. Zum Erfolg führt dieser Ansatz, wenn die Partner genauso zusammenarbeiten, wie es DWFritz und Bosch Rexroth getan haben.
Povich von DWFritz sagte: „Bosch Rexroth arbeitete von Beginn an partnerschaftlich mit unserem Engineering-Team an der Entwicklung des technischen Konzepts. Als das Projekt uns zugesprochen wurde, fand sich sofort ein Team aus Vertretern beider Unternehmen zusammen, um die Herausforderungen des Kunden zu meistern.“ Für Bosch Rexroth war dieses Projekt nicht nur der Startschuss für weitere Projekte mit DWFritz. Es stellte darüber hinaus ein Modell dar, das zeigt, wie Automatisierung im Bereich Fertigung auf dem Niveau von Industrie 4.0 aussehen kann.
„Diese Partnerschaft demonstriert echte, konkrete Schritte zum Erreichen dieses Ziels. Wir freuen uns über die Zusammenarbeit mit einem Unternehmen wie DWFritz, bei der wir zeigen können, wie die Lieferzeit verkürzt, Kunden zum Erfolg verholfen und eine Lösung bereitgestellt werden kann, die heutige und auch zukünftige Anforderungen erfüllt“, so Dave Hull von Rexroth.
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