TIA und der digitale Zwilling machen Tempo bei der Batteriefertigung

Die neue Laser-Tab-Welding-Anlage der Manz AG.

Ein digitaler Zwilling und eine durchgängige Automatisierung: Auf diese Weise entwickelte die Manz AG ein innovatives Verfahren für das Schweißen von Batteriezellableitern effizient von der Idee bis zur fertigen Maschine.

Weltweit steigen die Zulassungszahlen von Fahrzeugen mit Elektroantrieb. In Deutschland war Ende 2021 jedes fünfte neu zugelassene Auto ein Elektroauto. Dieser wachsende Marktanteil schafft auch eine wachsende Nachfrage nach Batterien und damit auch den Bedarf nach neuen Fertigungskapazitäten. Davon profitiert auch die Manz AG aus Reutlingen, die unter anderem auch Hightech-Lösungen für die Batteriezellfertigung entwickelt. Für Manfred Siekmann besteht eine Herausforderung dabei, den aktuellen Boom in ein nachhaltiges Wachstum zu überführen – „und dazu brauchen wir Produktionslösungen, die zur Steigerung der Leistungsparameter und zur Kostenreduktion der Batterien beitragen.“

Manz AG: Ingenieurskunst für die Produktion von Morgen

Die Manz AG mit Sitz in Reutlingen ist ein weltweit tätiges Hightech-Maschinenbauunternehmen. Die aktuell rund 1.400 Beschäftigten entwickeln und bauen innovative und effiziente Produktionslösungen von der kundenspezifischen Einzelmaschine für die Laborfertigung oder die Pilot- und Kleinserienproduktion, über standardisierte Module und Anlagen, bis hin zu schlüsselfertigen Linien für die Massenproduktion. Das Unternehmen ist auch einer der führenden Anbieter von Produktionsequipment für Lithium-Ionen-Batteriezellen, -module und -packs sowie für Kondensatoren für die Elektromobilität, stationäre Energiespeicherung und Elektronikprodukte. Im Bereich Im Bereich Future Battery Technologies entwickelt Manz innovative Prozesse und integrierte Produktionslinien für die Lithium-Ionen-Batteriefabrik der Zukunft und leistet so einen wirksamen Beitrag zum Aufbau einer nachhaltigen und wettbewerbsfähigen Batterieindustrie in Europa.

Eine innovative Technologie ermöglicht mehr Qualität, Leistung und Sicherheit

Eine dieser Lösungen ist das Laser Tab Welding. Es optimiert den Schweißprozess von Zellableitern, den sogenannten Tabs. Im Vergleich zum üblichen Ultraschallschweißverfahren ermöglicht das Verschweißen mit Laser eine deutlich höhere Qualität in der Schweißnaht und sorgt so für einen stabileren Schweißprozess. Zudem ist das Laserschweißverfahren auch leichter an unterschiedliche Zelldesigns anzupassen und arbeitet nahezu wartungsfrei – Vorteile, die sich am Ende auch bei den Produktionskosten pro Batteriezelle deutlich bemerkbar machen. Dieses innovative Verfahren hat Manz anhand einer Entwicklungsmaschine umgesetzt, für die Siekmann als technischer Projektmanager verantwortlich war.

Schlanke Lösung für ein komplexes Verfahren

Das Entwicklungsprojekt stand dabei unter einem sehr hohen Zeit- und Kostendruck, erinnert sich Siekmann. Daher entschied sich Manz, bei diesem Projekt eine neue, offene Automatisierungslösung einzusetzen. Ziel war, so Siekmann, die Komplexität der Gesamtlösung zu reduzieren: „Die Laserschweißmaschine muss sowohl intern als auch nach außen viele Schnittstellen bedienen. Deswegen war es für uns, aber natürlich auch mit Blick auf unsere Anwender, wichtig, dass wir eine möglichst schlanke Automatisierung implementieren: mit einer strukturierten, wartungsfreundlichen Programmierung, die auch eine effiziente Inbetriebnahme ermöglicht, und mit einem klaren und einheitlichen Bedienkonzept.“ Bei der Auswahl der passenden Automatisierungslösung legte das Projektteam um Stephan Lausterer, Abteilungsleiter Systems Engineering, und Marcel Bradl, Entwickler für Steuerungstechnik, vor allem Wert auf eine integrierte und durchgängige Plattform, erklärt Bradl: „Früher hatten wir oft die Situation, dass wir Komponenten unterschiedlicher Hersteller in eine Lösung integrieren mussten, das machte die Diagnose und Fehlersuche teils sehr aufwendig.“ Daher setzt Manz in der neuen Maschine auf einen SIMATIC ET 200SP Open Controller mit Failsafe als Steuerung, ein SIMATIC HMI WinCC Runtime und einen SIMATIC IFP1900 Basic Flat Panel 19" Display als Bediengerät. Projektiert wurde die Automatisierung komplett mit TIA Portal, die Visualisierung wurde mit der HMI Template Suite umgesetzt.

Vorteile für Entwickler und Anwender

Manz verwendete außerdem die Battery Guideline von Siemens, um die Schnittstellen der Maschine zu standardisieren. „Dadurch erwarten wir, dass wir unseren Engineeringaufwand um circa 20 % verringern können“, erklärt Lausterer. Die einheitlichen Werkzeuge und die durchgängige Systemplattform schaffen auch die Basis dafür, dass sich Anwenderprojekte effizient umsetzen lassen, so Lausterer weiter: „Die Programme im TIA Portal sind klar strukturiert und übersichtlich. Das heißt, dass sich unsere Applikationsingenieure so einfacher auf die spezifischen Anforderungen des Projektes konzentrieren können.“ Dieselbe Klarheit findet sich auch in der Bedienphilosophie wieder – für Manfred Siekmann ein weiteres Highlight des Projektes: „Die Oberfläche ist wirklich sehr intuitiv zu bedienen. Dass bedeutet für unsere Anwender, dass sie sich ohne großen Schulungsaufwand schnell zurechtfinden – das hat mir wirklich gut gefallen.“

Optimiertes Engineering durch den digitalen Zwilling

Für Stephan Lausterer macht sich die höhere Effizienz in der Entwicklung über den gesamten Lebenszyklus der Lösung bemerkbar, „vom Softwaredesign über die Inbetriebnahme bis hin zum Test: Überall lassen sich durch die Standardisierung Kosten sparen. Und davon profitieren auch unsere Anwender.“ Und auch in einer anderen Hinsicht brachte die Zusammenarbeit mit Siemens neue Impulse, so Lausterer weiter: „Die ganz große Herausforderung bei der Entwicklung der Laser-Tab-Welding-Maschine war der knappe Zeitplan. Wir haben uns dazu vorab mit Siemens sehr intensiv zu Anforderungen und Funktionen abgestimmt und einen Projektplan festgelegt.“ Teil dieses Projektplans war auch ein digitaler Zwilling der geplanten Maschine, der direkt aus der SolidEdge Designumgebung in NX MCD erstellt wurde. Dadurch kann die Maschine vorab am Modell getestet und optimiert werden. Dieses Vorgehen kann die Umsetzung der physischen Maschine erheblich vereinfachen. „Auf diese Weise verschmelzen mechanische Konstruktionen, Elektro-Konstruktionen und Softwareentwicklung, wodurch wir die die ganze Engineering-Kette vom mechanischen Design bis hin zur Inbetriebnahme viel effizienter gestalten können“, erklärt Lausterer und ist überzeugt, „dass wir diese Vorteile in den Folgeprojekten auch mit konkreten Zahlen untermauern können.“

Vom Entwicklungsprojekt zur produktiven Anwendung

Das sieht auch Manfred Siekmann als ein wichtiges Ergebnis des Projektes: „Time to Market ist für uns in praktisch jedem Projekt ein entscheidender Punkt. Der digitale Zwilling hilft uns, schneller auf dem Markt zu sein, gute Qualität zu liefern und unsere Lieferzyklen zu reduzieren.“ Parallel denkt auch Marcel Bradl schon einen Schritt weiter: „Aktuell arbeiten wir daran, weitere Maschinen mit der integrierten Lösung von Siemens umsetzen zu können und so noch mehr unserer Kunden diese Vorteile zugänglich zu machen.“