Effizienzsteigerung durch Automatisierung einer kompletten Fabrik zur Produktion von Batterie-Kathodenmaterial

Eine weltweite Marktchance ergreifen

HCM wurde 1997 in der Stadt Taoyuan im Norden Taiwans gegründet und liefert Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat (LMFP) als Sekundärmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Mit dem weltweiten Trend zur grünen Energie steigt der Bedarf nach Elektrofahrzeugen (EV). Die Batterie-technologie spielt in der EV-Industrie eine wichtige Rolle, wobei das Kathodenmaterial ein Schlüssel zum Erfolg ist. Unter den gängigen Kathodenmaterialien zeichnet sich LMFP durch seine einzigartigen Eigenschaften aus - Sicherheit, geringere Kosten und höhere Energiedichte. HCM arbeitet mit Tier-One-Kunden in den Vereinigten Staaten, Europa und Japan zusammen, die hauptsächlich in der Elektrofahrzeug- und Batterieherstellung tätig sind, um ihre kundenspezifischen Materialmischungen zu liefern..

Den Vorteilen von LMFP gegenüber anderen Materialien stehen Nachteile wie ein aufwändigerer und komplexerer Herstellungsprozess gegenüber. „Die LMFP-Produktion erfordert definitiv ein flexibles Fertigungssystem”, sagt Vincent Huang, Senior Manager of Research and Development (R&D) bei HCM. „Auf dem schnell wachsenden Markt kann das Unternehmen nur wettbewerbsfähiger werden, wenn es Anlagen mit geringem Energieverbrauch, einem effizienten Fertigungssystem und maximaler Kapazität in kürzester Zeit entwickelt."

Als einzigartiger Vorteil von HCM hat sich erwiesen, dass ein eigener Geschäftsbereich die erforderlichen Anlagen für die Produktion selbst zu entwickeln. So kann das Unternehmen schnell auf neue Anforderungen reagieren, den Produktionsprozess anpassen und schnell mit der Massenproduktion beginnen.

Darüber hinaus bietet der Geschäftsbereich HCM Equipment schlüsselfertige Lösungen für andere Hersteller von Werkstoffen an die mit ähnlichen Verfahren hergestellt werden. Dazu gehören etwa keramische Materialien von Vielschichtkondensatoren (MLCC). Die einzige Möglichkeit, kundenspezifische Anforderungen zu erfüllen, ohne die Anlage vor der Inbetriebnahme im eigenen Haus zu testen und neu zu bauen, ist der Einsatz eines umfassenden digitalen Zwillings der Anlage und eines leistungsfähigen Simulationssystems.

Streben nach höherer Effizienz

Hier kommt Plant Simulation im Tecnomatix®-Portfolio ins Spiel, eine der Lösungen des Siemens Xcelerator-Portfolios, einem umfassenden und integrierten Angebot an Software und Services von Siemens Digital Industries Software. Das System wurde im September 2021 implementiert. Der erste Schritt nach der Implementierung bestand darin, die bestehende Produktionslinie zu simulieren und die Unterschiede zum realen Ergebnis anzupassen, um Simulationsergebnisse zu liefern, die mit dem Verhalten der Produktionsprozesse übereinstimmen. „Tecnomatix simuliert die tatsächliche Produktion, den Energieverbrauch, den Arbeitsaufwand und die Produktionskosten sehr genau und hilft uns beim Übergang vom Labor- zum Industriemaßstab“, sagt William Chen, Assistan Vice President Produktionstechnologie und Qualitätskontrolle, bei HCM Material Business. „Das System half uns auch bei der Analyse von Engpässen in der Produktion und bei der Verbesserung des Energieverbrauchs und der Kosten, was dem Kernwert der EV-Industrie - der Reduzierung der Kohlenstoff-Emissionen - entgegenkommt.“

Nach dieser ersten Überprüfungsphase simulierte HCM mit Hilfe der Software die beste Aufstellung für jede Arbeitsstation. Da einige der Stationen in zyklischen Prozessen und andere in Batch-Prozessen arbeiteten, war es entscheidend, jede Arbeitsstation richtig einzusetzen. Andernfalls würde die Leerlaufzeit der Anlagen die Produktionseffizienz stark verringern. Durch den Einsatz von Tecnomatix konnte die Leerlaufzeit der Anlagen erheblich reduziert und die Produktionseffizienz verbessert werden. Der Einsatz von Plant Simulation steigerte zum Beispiel die Produktionseffizienz der Sandmühle um 15 Prozent, die Auslastung des Rollenherdofens (RHK) um 10 Prozent und reduzierte den Stickstoffverbrauch um 10 Prozent sowie den Stromverbrauch um 5 Prozent.

Aber diese Anwendung war nur der erste Schritt. HCM hatte das Ziel, eine vollständig automatisierte Fabrik zu werden. Im nächsten Schritt optimierte das Fertigungsunternehmen den Ablauf des Produktionsprozesses durch Simulation des automatisierten Fertigungssystems. Wann immer Änderungen am automatisierten, flexiblen Produktionssystem vorgenommen werden müssen, kann nun durch Simula tionen vor der Inbetriebnahme überprüft werden, ob alle Entwicklungsanforderungen erfüllt werden. Dies spart Arbeit bei der Qualitätskontrolle und bei Anpassungen.

Plant Simulation kann mit dem Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)/Manufacturing Execution System (MES) von HCM gekoppelt werden, das als „Smart Manufacturing System“ bezeichnet wird und die Steuerung der Anlagen übernimmt. Neben der Anzeige von Echtzeitinfor mationen kann das System auch vorausschauende Simulationen durchführen, Anomalien oder Probleme analysieren und die Auswirkungen von Änderungen im Voraus berechnen.

Entwicklungszeiten um 50 Prozent reduziert

Nach wiederholten Überprüfungen wurden die optimierten Ausrüstungseinheiten als Plant Simulation-Module erstellt. Diese Standardobjekte können nun wie eine Konstruktionsdatenbank verwendet werden. Sobald es eine neue Prozessanforderung gibt, wird diese im Plant Simulation System realisiert, um die Ergebnisse zu simulieren. So kann HCM den Entwurf neu strukturieren oder an die Bedürfnisse anpassen. Dadurch entfallen viele Änderungen. Stattdessen werden zuverlässige und vorhersehbare Leistungsdaten mit weniger Aufwand und geringeren Kosten geliefert.

„Unsere Module für alle Arbeitsstationen werden wie eine Fertigungsdatenbank verwendet“, sagt Jack Lee, Senior Assistant Vice President, Equipment Business Division. „Dadurch verkürzt sich die Entwicklungszeit um mindestens 50 Prozent. Das System simuliert den Prozess genau und zeigt die Ergebnisse unter verschiedenen Umständen, was uns viele Änderungsschleifen erspart, die wir in der Vergangenheit durchgeführt haben.“

So können für jedes kundenspezifische Material, das HCM anbietet, die erforderlichen Änderungen in der Produktion schnell und sicher durchgeführt werden. Die Anlagensimulation kann für die Planung des Herstellungsprozesses neuer Produkte eingesetzt werden, um im Voraus die Leistung, den Energieverbrauch, den Personalbedarf und die Produktionskosten zu simulieren. Sie kann auch den Zeitaufwand, das Ausfallrisiko und die Kosten für neue Produkte von der Forschungs- und Entwicklungsphase bis zur Massenproduktion verringern.

Entwicklung automatisierter Fertigungseinrichtungen für ähnliche Materiale

Der Geschäftsbereich HCM Equipment entwickelt auch kundenspezifische Anlagen und komplette Produktionslinien für andere Hersteller von Materialen, die in ähnlichen Prozessen hergestellt werden, wie Lithium-Titanat (LTO) oder keramisches Material für MLCC. Neben den konstruktiven Vorteilen der Fertigungsdatenbank wird Tecnomatix auch zur Verkaufsförderung eingesetzt: „In der Projektplanungsphase können wir den Kunden Simulationsergebnisse zur Verfügung stellen, die der tatsächlichen Situation nahe kommen, um Missverständnisse zu vermeiden und sie von unserer Lösung zu überzeugen“, sagt Jack Lee. „Plant Simulation ist das beste Werkzeug zur Systemintegration bei Projekten für schlüsselfertige Anlagen.“