Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB
Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB

Skill and Scale Up: Simulation

Simulationen als Vorhersagemethode in der »digitalen Fabrik«

»Digitale Fabrik« ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen, die durch ein durchgängiges Datenmanagementsystem zusammengeführt werden. Dazu zählen auch Simulationen oder andere dreidimensionale Visualisierungen der Produktionsumgebung. Wie Methoden der digitalen Fabrikplanung technisch umgesetzt werden und welche Funktionen Simulationen hierbei erfüllen können, erklärt der elfte Blogartikel unserer Informationskampagne »Skill & Scale up«.

Woraus setzt sich eine »digitale Fabrik« zusammen?

In der »digitalen Fabrik« werden zwei Bereiche voneinander unterschieden: Die digitale Produktionsplanung und die digitale Fabrikplanung. Ziel der digitalen Produkt- und Fertigungsentwicklung ist es, den Fertigungsprozess durch computergestützte Umsetzung von Produktdaten in Prozessdaten zu verbessern. Denn: Je besser die Fehler nachvollzogen werden können, desto mehr Ausschuss kann vermieden werden. Das führt zu minimierten Kosten und optimierter Qualität. Ein gutes Beispiel dafür ist Maschinelles Lernen, wie wir es in unserem letzten Blogartikel vorgestellt haben, bei dem große Mengen an Prozessdaten dazu genutzt werden, die Produktion zu verbessern.

Der zweite Bereich der digitalen Fabrik, die digitale Fabrikplanung, umfasst den Einsatz digitaler Technologien zur Planung der Fabrik. Ein Beispiel dafür ist das Building Information Modeling (BIM), eine interdisziplinäre Methode, die Mensch, Prozess und Werkzeuge in der Gesamtplanung berücksichtigt. Anders als eine einfache 3D-Visualisierung ist ein BIM-Modell ›intelligent‹ und enthält zusätzlich informationsreiche Daten über verschiedene Bauelemente und deren Beziehungen zueinande, wie beispielsweise Wärmedurchlässigkeit der Wand, Wartungswege für Arbeiten am Gebäude. Es ist eine statische, digitale Repräsentation eines Planungsstandes der Fabrik und kann mit integrierten Daten sowie 3D-Visualisierung als Input für die digitale Produktionsplanung, Schulungen sowie auch die Spieleentwicklung dienen. Auch wenn es nicht als Simulation im eigentlichen Sinne betrachtet werden kann, bietet es eine umfassende digitale Repräsentation, um als Basis für eine Simulation verwendet zu werden. 

Relevante Rollen in einer Simulationsstudie
Verfahren zur Durchführung von Simulationen

Was ist eine Simulation in der digitalen Fabrikplanung?

Als Nachbildungen realer Systeme mit dynamischen Prozessen dienen sie zur Vorhersage von Ablaufprozessen einer Fabrik in unterschiedlichen Situationen, auf der fundierte Entscheidungen getroffen werden können. Im weiteren Sinne versteht man unter Simulation die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von konkreten Experimenten mithilfe eines Simulationsmodells. Sie werden in der digitalen Fabrikplanung dazu eingesetzt verschiedenste Einheiten, Faktoren und Flüsse zu veranschaulichen, zum Beispiel Fabriklayouts, Materialflüsse oder Arbeitsprozesse. Es ist sinnvoll, diese so früh wie möglich im Fabrikplanungsprozess zu verwenden, da sie ein immenses Einsparpotential mit sich bringen. Während statische Simulationen von einem bestimmten Zeitpunkt ausgehen, orientieren sich dynamische Simulationen an zeitabhängigen Veränderungen.

Der Simulationsvorgang sieht folgendermaßen aus: Zunächst wir ein reales, komplexes oder weitestgehend unbekanntes System beobachtet und nach seinen Einflussfaktoren analysiert. Dann wird das System reproduziert – das ist sowohl analog in einem Modell als auch digital umsetzbar. Anschließend werden übertragbare Erkenntnisse für die Realität festgehalten.

Anwendungsfelder von Simulationen in der Batteriezellproduktion

Im Prozess der Batterieproduktion profitieren einige kritische Prozessschritte besonders von einer Simulation. Beispielsweise entscheidet die Konsistenz der Slurrypaste, die in der Elektrodenfertigung auf die Folie aufgetragen wird, essenziell über die Qualität der Zelle und den Ausschuss in der Produktion. Hier kann die Simulation unter Anpassung von Druck und Geschwindigkeit dabei helfen, den Einfluss dieser Kräfte auf die Partikel zu verstehen und somit die Mischqualität des Slurrys festzulegen.

An anderer Stelle kann eine physikalische Simulation der Entfeuchtungssysteme von Rein- und Trockenräumen Vorhersagen ermöglichen, mit denen die Energiebedarfe je nach Nutzung angepasst werden können.

Bislang werden Simulationen vor allem für individuelle Anwendungsfelder verwendet und sind somit innerhalb einer Fabrik nicht von vornherein vernetzt. Das hat zur Folge, dass auch das damit gewonnene Wissen und die Ergebnisse nicht automatisch weitergegeben werden. Der Transfer ist wegen verschiedener Benutzeroberflächen, Datenformate und Wissensgrundlage kaum automatisch möglich. Deshalb arbeitet die Fraunhofer FFB mit ihren Partnern an einer Plattform, auf der Simulationsergebnisse und -wissen auf standardisierte Weise ausgetauscht werden können.

Standardisierung: Die aktuell größte Herausforderung für Digitalisierung 

Die Standardisierung stellt in der Digitalisierung von Fabriken eine wesentlich komplexere Herausforderung dar, als es unterschiedliche Ladesteckertypen in den Anfängen des Mobiltelefons taten. Dies führte damals aber zu einer ähnlichen Inkompatibilität und unnötigem Elektromüll, wie unterschiedliche Systemsprachen heute zu nicht verwendbaren Daten beitragen. Deshalb ist es ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung der digitalen Fabrik, einheitliche Normen für digitale Prozesse und Technologien zu etablieren.

 

Das könnte Sie auch interessieren: