DE102024001340A1

DE102024001340A1 - Verfahren zum Auslegen eines Fertigungssystems zum Herstellen von Batteriemodulen und Steuerungseinheit

Info

Publication number: DE102024001340A1
Application number: DE102024001340.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Krauss
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2024-04-25
Filing date: 2024-04-25
Publication date: 2024-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) zum Auslegen eines Fertigungssystems (2) zum Herstellen von Batteriemodulen. Dabei wird in einer Maßnahme a) ein Produktionsmodell des Fertigungssystems (2) erstellt, wobei alle Teilprozesse (3) des Fertigungssystems (2) zueinander angeordnet, parametrisiert und miteinander verknüpft werden. In einer Maßnahme b) wird dann basierend auf dem erstellten Produktionsmodell das Fertigungssystem (2) ausgelegt.Die Erfindung betrifft auch eine Steuerungseinheit zum Ausführen des Verfahrens (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslegen eines Fertigungssystems zum Herstellen von Batteriemodulen, wobei das Fertigungssystem mehrere Moduleinheiten mit jeweils wenigstens einem Modul aufweist und jede Moduleinheit im Betrieb des Fertigungssystems in einem Teilprozess abhängig von der Anzahl der Module eine herstellbare Ausbringungsmenge eines Teilprodukts bereitstellen kann. Die Erfindung betrifft auch eine Steuerungseinheit zum Ausführen des Verfahrens.
Eine Kapazitätsberechnung und eine Bedarfsrechnung für ein Fertigungssystem zum Herstellen von Batteriemodulen ist sehr komplex. Fehlt eine frühzeitige und zuverlässige Auslegung des Fertigungssystems, so ist damit ein erhöhter finanzieller Aufwand durch eine Installation der Moduleinheiten mit einer zu hoher oder zu geringer Kapazität verbunden. Nachteiligerweise können dabei auch Engpässe nicht zuverlässig identifiziert werden, was zum Verlust der Ausbringungsmenge führen kann.
DE 10 2009 007 477 A1 offenbart ein Verfahren zur Planung eines Fertigungssystems mit mehreren Moduleinheiten. Dabei werden Modelle der Moduleinheiten mit Informationsträgern versehen, sodass deren Lage nach erfolgter Platzierung auf einer Unterlage mittels digitaler Bildverarbeitung ermittelt werden kann. Dadurch können die Modelle der Moduleinheiten einer anschaulichen Planung des Fertigungssystems mittels eines dreidimensionalen Modells dienen.
DE 10 2010 018 634 A1 offenbart ein Verfahren zur Planung eines Fertigungssystems mit mehreren Moduleinheiten. Dabei werden Modelle der Moduleinheiten auf einer Unterlage platziert, so dass deren Lage nach erfolgter Platzierung mittels digitaler Bildverarbeitung ermittelt werden kann. Ein Planungsprogramm kann insbesondere Kollisionen eines Flächenbedarfs erkennen und einen optimierten Vorschlag ausgeben. Dadurch können die intuitive Planung und die Planung des Fertigungssystems mittels des Planungsprogramms miteinander kombiniert werden.
Derzeit ist kein Verfahren bekannt, das eine Kapazitätsberechnung und eine Bedarfsrechnung für ein Fertigungssystem zum Herstellen von Batteriemodulen in einer frühen Auslegungsphase des Fertigungssystems ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Auslegen eines Fertigungssystems zum Herstellen von Batteriemodulen bereitzustellen, wobei das Verfahren in einer frühen Phase der Auslegung des Fertigungssystems das Fertigungssystem schnell und ganzheitlich und näher spezifizieren kann, um dadurch die betriebliche Effizienz des Fertigungssystems zu steigern, den Ressourceneinsatz zu optimieren und die Auslegungsgenauigkeit zu erhöhen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine entsprechende Steuerungseinheit zum Ausführen des Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Auslegen eines Fertigungssystems zum Herstellen von Batteriemodulen vorgesehen bzw. ausgelegt. Das Fertigungssystem weist dabei mehrere Moduleinheiten mit jeweils wenigstens einem Modul auf, wobei jede Moduleinheit im Betrieb des Fertigungssystems in einem Teilprozess abhängig von der Anzahl der Module eine herstellbare Ausbringungsmenge eines Teilprodukts herstellen kann. In dem Verfahren werden dabei die Maßnahmen a) und b) durchgeführt. In der Maßnahme a) wird ein Produktionsmodell des Fertigungssystems in Schritten i), ii) und iii) erstellt. Im Schritt i) der Maßnahme a) werden dabei alle in den Moduleinheiten durchzuführenden Teilprozesse entsprechend einer zeitlichen Herstellungsabfolge der Batteriemodule und eines Zusammenhangs der Teilprozesse parallel oder seriell zueinander anordnet. Im Schritt ii) der Maßnahme a) werden dann alle Teilprozesse mit wenigstens einem teilprozess- und/oder teilproduktrelevanten Parameter parametrisiert.
Im Schritt iii) der Maßnahme a) werden die Teilprozesse über die herstellbare Ausbringungsmenge entsprechend der zeitlichen Herstellungsabfolge und entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge unter Berücksichtigung des Zusammenhangs der Teilprozesse miteinander verknüpft. In der Maßnahme b) wird dann das Fertigungssystem basierend auf dem erstellten Produktionsmodell des Fertigungssystems ausgelegt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle zum Herstellen der Batteriemodule relevante Teilprozesse berücksichtigt und mit den teilprozess- und/oder teilproduktrelevanten Parametern parametrisiert werden. Dadurch können in den jeweiligen Teilprozessen die auf die Ausbringungsmenge des Teilprodukts wirkenden Parameter berücksichtigt werden. Ferner können die einzelnen Teilprozesse über die herstellbare Ausbringungsmenge der in diesen Teilprozessen hergestellten Teilprodukte miteinander entsprechend und entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge der Batteriemodule mit Berücksichtigung des herstellungsbedingten Zusammenhangs der einzelnen Teilprozesse miteinander verknüpft werden. Bei den Teilprozessen kann dabei die herstellbare Ausbringungsmenge der jeweiligen Moduleinheit abhängig von der Anzahl deren Module berücksichtigt werden. Dadurch kann das Fertigungssystem in dem Produktionsmodell wahrheitstreu abgebildet werden und eine Kapazitätsberechnung und eine Bedarfsrechnung für das Fertigungssystem anhand des Produktionsmodells in einer frühen Auslegungsphase des Fertigungssystems vorgenommen werden. Insbesondere kann eine notwendige Anzahl der Module der jeweiligen Moduleinheiten zum Erreichen einer vorgegebenen Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule und/oder eine Gesamt-Ausbringungsmenge beim Vorliegen einer vorgegebenen Anzahl der Module der jeweiligen Moduleinheiten berechnet werden. Durch die Verknüpfung der Teilprozesse miteinander kann bei der Änderung in einem der Teilprozesse der Einfluss auf alle weiteren zusammenhängenden Teilprozesse betrachtet werden. Dabei kann auch ein optimierter Betriebspunkt des Fertigungssystems ermittelt bzw. eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden. Eine Durchführung von unterschiedlichsten Szenarien beim Auslegen des Fertigungssystems ist dabei innerhalb von wenigen Stunden möglich.
Beim Verknüpfen der Teilprozesse miteinander werden die Teilprozesse im Schritt iii) der Maßnahme a) entsprechend der zeitlichen Herstellungsabfolge und entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge unter Berücksichtigung des Zusammenhangs der Teilprozesse miteinander verknüpft. Die zeitliche Herstellungsabfolge gibt dabei an, in welcher sinnvollen Reihenfolge die Teilprozesse beim Herstellen der Batteriemodule durchgeführt werden können. Insbesondere berücksichtigt die zeitliche Herstellungsabfolge, welche Teilprozesse erst nach dem Beenden der anderen Teilprozesse bzw. seriell mit diesen Teilprozessen oder gleichzeitig mit den anderen Teilprozessen bzw. parallel mit diesen Teilprozessen durchführbar sind. Dabei wird insbesondere der Zusammenhang der einzelnen Teilprozesse berücksichtig. Beim Durchgehen der Teilprozesse entsprechend der zeitlichen Herstellungsabfolge werden die Teilprozesse zeitlich voran durchgegangen. Dabei wird bei dem ersten Teilprozess bzw. den ersten Teilprozessen gestartet und mit dem letzten Teilprozess bzw. den letzten Teilprozessen beendet. Beim Durchgehen der Teilprozesse entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge werden die Teilprozesse zeitlich zurück durchgegangen. Dabei wird bei dem letzten Teilprozess bzw. den letzten Teilprozessen gestartet und mit dem ersten Teilprozess bzw. den ersten Teilprozessen beendet.
Beim Verknüpfen der Teilprozesse miteinander werden die Teilprozesse im Schritt iii) der Maßnahme a) über die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem jeweiligen Teilprozess miteinander verknüpft. Die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts kann dabei gleich einer maximalen Ausbringungsmenge des Teilprodukts in der jeweiligen Moduleinheit oder gleich einer berechneten Ausbringungsmenge des Teilprodukts in der jeweiligen Moduleinheit sein. Die maximale Ausbringungsmenge des Teilprodukts wird dabei basierend auf der maximalen Ausbringungsmenge und der Anzahl der Module der jeweiligen Moduleinheit bestimmt. Die berechnete Ausbringungsmenge des Teilprodukts wird dabei basierend auf der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem zeitlich vorangehenden und zusammenhängenden Teilprozess berechnet. Abhängig von der Auslegung der jeweiligen Moduleinheit können sich die maximale Ausbringungsmenge und die berechnete Ausbringungsmenge voneinander unterscheiden. Ist die maximale Ausbringungsmenge kleiner als die berechnete Ausbringungsmenge, so wird die herstellbare Ausbringungsmenge gleich der maximalen Ausbringungsmenge gesetzt. In diesem Fall liefert die jeweilige Moduleinheit die Ausbringungsmenge des Teilprodukts, die kleiner als basierend auf der Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem vorangegangenen Teilprozess herstellbar ist. Es liegt also eine Unterkapazität der jeweiligen Moduleinheit vor. ist die berechnete Ausbringungsmenge kleiner als die maximale Ausbringungsmenge, so wird die herstellbare Ausbringungsmenge gleich der berechneten Ausbringungsmenge gesetzt. In diesem Fall liefert die jeweilige Moduleinheit die Ausbringungsmenge des Teilprodukts, die kleiner als basierend auf ihrer maximalen Ausbringungsmenge des Teilprodukts herstellbar ist. Es liegt also eine Überkapazität der jeweiligen Moduleinheit vor.
Beim Verknüpfen der Teilprozesse miteinander im Schritt iii) der Maßnahme a) kann bei allen Teilprozessen die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in jedem zeitlich unmittelbar vorangehenden Teilprozess als Input-Daten jedes zeitlich unmittelbar nachfolgenden und zusammenhängenden Teilprozesses gesetzt werden. Dadurch werden die Teilprozesse entsprechend der zeitlichen Herstellungsabfolge der Batteriemodule miteinander verknüpft. Zudem kann bei allen Teilprozessen die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in jedem zeitlich unmittelbar nachfolgenden Teilprozess als Input-Daten jedes zeitlich unmittelbar vorangehenden und zusammenhängenden Teilprozesses gesetzt werden. Dadurch werden die Teilprozesse entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge der Batteriemodule miteinander verknüpft.
Beim Auslegen des Fertigungssystems in der Maßnahme b) können dabei die Maßnahme b1) und/oder die Maßnahme b2) durchgeführt werden. In der Maßnahme b1) kann eine Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule abhängig von einer vorgegebenen Anzahl der Module in den jeweiligen Moduleinheiten anhand des Produktionsmodells berechnet werden. In der Maßnahme b2) kann eine Anzahl der notwendigen Module in den jeweiligen Moduleinheiten abhängig von einer vorgegebenen Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule anhand des Produktionsmodells berechnet werden. Im Folgenden werden die Maßnahmen b1) und die Maßnahme b2) näher erläutert.
In der Maßnahme b1) können die Maßnahmen b1-1), b1-2) und b1-3) durchgeführt werden. In der Maßnahme b1-1) können dem zeitlich ersten Teilprozess seine maximale Ausbringungsmenge des Teilprodukts als Input-Daten gesetzt werden. In der Maßnahme b1-2) kann dann bei allen Teilprozessen entsprechend der zeitlichen Herstellungsreihenfolge die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts berechnet werden. Dabei wird die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem zeitlich vorangehenden Teilprozess als Input-Daten des zeitlich nachgeordneten und zusammenhängenden Teilprozesses gesetzt. In der Maßnahme b1-3) wird dann die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule als die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem zeitlich letzten Teilprozess gesetzt. Dadurch ist in der Maßnahme b1) möglich, die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule des geplanten oder bestehenden Fertigungssystems zu prüfen.
Zudem kann in der Maßnahme b1) eine Überkapazität der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts wenigstens einer der Moduleinheiten berechnet werden. Dabei können eine berechnete Ausbringungsmenge des Teilprodukts der jeweiligen Moduleinheit und eine maximale Ausbringungsmenge des Teilprodukts der jeweiligen Moduleinheit berücksichtigt werden. Die Überkapazität kann insbesondere als eine Differenz zwischen der maximal möglichen Ausbringungsmenge des Teilprodukts und der berechneten Ausbringungsmenge des Teilprodukts in der jeweiligen Moduleinheit berechnet werden. Diese Differenz bzw. die Überkapazität kann dann beim weiteren Auslegen des Fertigungssystems berücksichtigt bzw. beachtet werden. Insbesondere kann die Differenz bzw. die Überkapazität der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts bezüglich der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts wenigstens einer der Moduleinheiten visualisiert und an einen Nutzer ausgegeben werden. Die Visualisierung kann beispielweise in einem Balkendiagramm erfolgen.
Zudem kann in der Maßnahme b1) eine Unterkapazität der Ausbringungsmenge des Teilprodukts wenigstens einer der Moduleinheiten berechnet werden. Dabei können eine berechnete Ausbringungsmenge des Teilprodukts der jeweiligen Moduleinheit und eine maximale Ausbringungsmenge des Teilprodukts der jeweiligen Moduleinheit berücksichtigt werden. Die Unterkapazität kann insbesondere als eine Differenz zwischen der berechneten Ausbringungsmenge des Teilprodukts und der maximalen Ausbringungsmenge des Teilprodukts in der jeweiligen Moduleinheit berechnet werden. Diese Differenz bzw. die Unterkapazität kann dann beim weiteren Auslegen des Fertigungssystems berücksichtigt bzw. beachtet werden. Insbesondere kann die Differenz bzw. die Unterkapazität der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts bezüglich der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts wenigstens einer der Moduleinheiten visualisiert und an einen Nutzer ausgegeben werden. Die Visualisierung kann beispielweise in einem Balkendiagramm erfolgen.
In der Maßnahme b2) können die Maßnahmen b2-1), b2-2) und b2-3) durchgeführt werden. In der Maßnahme b2-1) kann die vorgegebene Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule dem zeitlich letzten Teilprozess als Input-Daten gesetzt werden. In der Maßnahme b2-2) kann bei allen Teilprozessen entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts berechnet werden. Dabei kann die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem zeitlich nachgeordneten Teilprozess als Input-Daten des zeitlich vorangehenden und zusammenhängenden Teilprozesses gesetzt werden. In der Maßnahme b2-3) kann dann die Anzahl der notwendigen Module jeder zum Durchführen des einzelnen Teilprozesses vorgesehenen Moduleinheit basierend auf der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem jeweiligen Teilprozess berechnet werden. In der Maßnahme b2-3) kann dabei die Anzahl der notwendigen Module in der jeweiligen Moduleinheit als ein auf ein Ganzes aufgerundetes oder auf ein Ganzes abgerundetes Verhältnis der berechneten Ausbringungsmenge des Teilprodukts der Moduleinheit und einer maximal möglichen Ausbringungsmenge des Teilprodukts des einzelnen Moduls bestimmt werden.
Insbesondere ist in der Maßnahme b2) möglich, die Anzahl der notwenigen Module der jeweiligen Moduleinheit bzw. das notwendige Equipment des Fertigungssystems in einer frühen Auslegungsphase des Fertigungssystems zu bestimmen. Insbesondere können anhand der Maßnahme b) die Kosten des Equipments des Fertigungssystems auf Engpässe untersucht werden und das Fertigungssystem optimiert werden. Insbesondere können basierend darauf Ramp-Up-Kurven mit theoretischen Ausbringungsverläufen erzeugt werden. Ferner können auch Benchmark-Kurven und Kundenbedarfe verglichen und Zielwerte für einen Hoch-Lauf des Fertigungssystems definiert werden.
In der Maßnahme a) im Schritt ii) kann wenigstens einer der Teilprozesse, vorzugsweise alle Teilprozesse, mit einer Verfügbarkeit, vorzugsweise mit einer Gesamtanlageneffektivität, und/oder mit einer Herstellungsgeschwindigkeit und/oder mit einem Ausschuss und/oder mit einer Taktzeit als einem der wenigstens einen Parameter parametrisiert werden. Zudem kann wenigstens einer der Teilprozesse, vorzugsweise alle Teilprozesse, oder das Produktionsmodell insgesamt mit einem Arbeitsmodell, insbesondere mit einer erreichbaren Arbeitszeit der jeweiligen Moduleinheit pro Tag und/oder pro Woche und/oder pro Jahr, parametrisiert werden. Durch die genannte Parametrisierung können die genannten Parameter beim Auslegen des Fertigungssystems berücksichtigt werden und deren Auswirkung auf die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule betrachtet bzw. ausgewertet werden.
Die Ausbringungsmenge des Teilprodukts kann beispielweise als eine Tages-Ausbringungsmenge des Teilprodukts verwendet werden. Die Tages-Ausbringungsmenge des Teilprodukts gibt dabei eine Menge des in dem jeweiligen Teilprozess in der jeweiligen Moduleinheit erstellten Teilprodukts pro Tag an. Die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule kann als eine Tages-Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule oder als eine Jahres-Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule verwendet werden. Dabei geben Tages-Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule eine Menge des in dem Fertigungssystem erstellten Batteriemodule pro Tag und die Jahres-Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule eine Menge der in dem Fertigungssystem erstellten Batteriemodule pro Jahr an. Die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule kann alternativ oder zusätzlich als eine Jahr-Kapazität-Ausbringungsmenge der Batteriemodule, die eine in Watt pro Stunde erfasste Energiekapazität der in dem Fertigungssystem erstellten Batteriemodule pro Jahr angibt, verwendet werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Steuerungseinheit. Die Steuerungseinheit ist dabei zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgelegt. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auslegen eines Fertigungssystems;
2 eine Ansicht einzelnen Teilprozesse eines beispielhaften Fertigungssystems in dem erfindungsgemäßen Verfahren;
3 eine Darstellung einer Überkapazität der Teilprozesse des beispielhaften Fertigungssystems;
4 eine Darstellung einer Unterkapazität der Teilprozesse des beispielhaften Fertigungssystems;
5 ein zeitabhängiger Verlauf einer Ausbringungsmenge bei einem Hochlauf des beispielhaften Fertigungssystems;
6 ein zeitabhängiger Verlauf einer Gesamt-Ausbringungsmenge bei dem Hochlauf des beispielhaften Fertigungssystems;
7 ein zeitabhängiger Verlauf von Engpässen bei dem Hochlauf des beispielhaften Fertigungssystems;
8 ein zeitlicher Verlauf von Ausschuss bei dem Hochlauf des beispielhaften Fertigungssystems.

1 zeigt ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1 zum Auslegen eines Fertigungssystems zum Herstellen von Batteriemodulen. Das Fertigungssystem umfasst mehrere Moduleinheiten mit jeweils wenigstens einem Modul, wobei jede Moduleinheit im Betrieb des Fertigungssystems in einem Teilprozess abhängig von der Anzahl der Module eine herstellbare Ausbringungsmenge eines Teilprodukts herstellen kann.
Dabei wird in einer Maßnahme a) ein Produktionsmodell des Fertigungssystems erstellt. Dabei werden im Schritt i) alle Teilprozesse parallel oder seriell zueinander angeordnet und im Schritt ii) parametrisiert. Die Parameter können beispielweise eine Verfügbarkeit, vorzugsweise eine Gesamtanlageneffektivität, und/oder eine Herstellungsgeschwindigkeit und/oder ein Ausschuss und/oder eine Taktzeit sein. In dem Schritt iii) werden dann die einzelnen Teilprozesse über die herstellbare Ausbringungsmenge miteinander verknüpft.
Dann kann in einer Maßnahme b) das Fertigungssystem ausgelegt werden. Dabei können in der Maßnahme b1) die Anzahl AM der Module in der jeweiligen Moduleinheit vorgegeben werden und eine Gesamt-Ausbringungsmenge G-AM der Batteriemodule in dem Fertigungssystem berechnet werden. In der Maßnahme b2) kann die Gesamt-Ausbringungsmenge G-AM der Batteriemodule vorgegeben werden und die Anzahl AM der Module in den jeweiligen Moduleinheiten berechnet werden.
In der Maßnahme b1) werden dabei die Maßnahmen b1-1), b1-2) und b1-3) durchgeführt. In der Maßnahme b1-1) wird dabei dem zeitlich ersten Teilprozess seine maximale Ausbringungsmenge als Input-Daten gesetzt. In der Maßnahme b1-2) werden dann basierend darauf bei allen Teilprozessen zeitlich vorangehend die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts berechnet. In der Maßnahme b1-3) wird dann die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule als die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem zeitlich letzten Teilprozess gesetzt.
In der Maßnahme b2) werden die Maßnahmen b2-1), b2-2) und b2-3) durchgeführt. In der Maßnahme b2-1) wird die vorgegebene Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule dem zeitlich letzten Teilprozess als Input-Daten gesetzt. In der Maßnahme b2-2) wird bei allen Teilprozessen entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts berechnet. In der Maßnahme b2-3) wird die Anzahl der Module jeder Moduleinheit in dem jeweiligen Teilprozess berechnet. Die Anzahl AM der notwendigen Module in der jeweiligen Moduleinheit kann dabei als ein Verhältnis der herstellbaren Ausbringungsmenge der Moduleinheit und der maximalen Ausbringungsmenge des einzelnen Moduls bestimmt werden.
2 zeigt eine Ansicht einzelnen Teilprozesse 3 eines beispielhaften Fertigungssystems 2, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren 1 durch ein Produktionsmodell abgebildet und ausgelegt wird. Die zeitliche Herstellungsabfolge HF ist hier mit Pfeil gekennzeichnet. In dem Verfahren 1 werden - wie oben bereits beschrieben ist - die einzelnen Teilprozesse 3 zum Erstellen des Produktionsmodells des Fertigungssystems 2 entsprechend der zeitlichen Herstellungsabfolge HF angeordnet, parametrisiert und miteinander verknüpft.
Die einzelnen Teilprozesse 3 sind hier: Mischen MI-A einer Anode der herzustellenden Batteriemodule (Mixen Anode), Mischen MI-C eine Kathode der herzustellenden Batteriemodule (Mixen Kathode), Beschichten CO-A der Anode (Coating Anode), Beschichten CO-C der Kathode (Coating Kathode), Zeitrechnen CL-A der Anode (Calendaring Anode), Zeitrechnen CL-C der Kathode (Calendaring Kathode), Kerben NO-A der Anode (Notching Anode), Kerben NO-C der Kathode (Notching Kathode), Stapeln STA (Stacking), Zellenmontage CA (Cell assembly), thermische Behandlung BAK (Baking), erste Füllung 1FIL (1st Filling), zweite Füllung 2FIL (2nd Filling), elektrische Behandlung EL (Electrical treatment), Montage M der herzustellenden Batteriemodule (Module assembly). Die einzelnen Teilprozesse 3 werden entweder parallel (MI-A und Ml-C, CO-A und CO-C, CL-A und CL-C, NO-A und NO-C) oder seriell (MI-AlMI-C; CO-A/CO-C, CL-AlCL-C, NO-A/NO-C, STA, CA, BAK, 1FIL, 2FIL, EL, M) durchgeführt.
Die einzelnen Teilprozesse 3 werden dabei in Moduleinheiten 4 mit mehreren Modulen 5 durchgeführt. Die einzelnen Module 5 der einzelnen Moduleinheiten 4 sind in 2 entsprechend dem jeweiligen Teilprozess 3 mit einer nachfolgenden Zahl bezeichnet. Der Teilprozess Mi-A wird mit den Modulen MI-A1 bis MI-A10; der Teilprozess MI-C wird mit den Modulen MI-C1 bis MI-C10; der Teilprozess CO-A wird mit den Modulen CO-A1 bis CO-A4; der Teilprozess CO-C wird mit den Modulen CO-C1 bis CO-C4; der Teilprozess CL-A wird mit den Modulen CL-A1 bis CL-A5; der Teilprozess CL-C wird mit den Modulen CL-C1 bis CL-C5; der Teilprozess NO-A wird mit den Modulen NO-A1 bis NO-A11; der Teilprozess NO-C wird mit den Modulen NO-C1 bis NO-C11; der Teilprozess STA wird mit den Modulen STA1 bis STA4; der Teilprozess CA wird mit den Modulen CA1 bis CA4; der Teilprozess BAK wird mit den Modulen BAK1 bis BAK4; der Teilprozess 1FIL wird mit den Modulen 1FIL1 bis 1FIL4; der Teilprozess 2FIL wird mit den Modulen 2FIL1 bis 2FIL4; der Teilprozess EL wird mit den Modulen EL1 bis EL4; der Teilprozess M wird mit den Modulen M-1 bis M-5 durchgeführt.
In dem Verfahren 1 kann dann anhand des erstellten Produktionsmodells die zeitliche Dimension der Installation von einzelnen Modulen 5 bzw. des Equipments und der Hochlauf des Fertigungssystems 2 betrachten werden. Über die Verkettung bzw. Verknüpfung der Teilprozesse 3 können Hochlaufszenarien schnell und einfach gebildet, visualisiert und einem Benchmark gegenübergestellt werden. Da das Fertigungssystem 2 zum Herstellung der Batteriemodule für die Automobilindustrie üblicherweise Investmentkosten von über 500 Millionen EUR erfordert, kann dadurch ein großes Geldersparnis erzielt werden. Ein zeitgleicher Ramp-Up jeder einzelnen Moduleinheit 4 ist dadurch nicht realisierbar und es werden deshalb zwei bis vier Hochlaufsequenzen anvisiert. Mit dem Verfahren 1 kann für jede einzelne Moduleinheit 4 bzw. jede Hochlaufsequenz ein individueller Hochlauf konfiguriert werden.
Mit der Anzahl der Moduleinheiten 4, dem entsprechend gewähltem Ramp-Up und der Hochlaufsequenz ergeben sich in der Verkettung eine tägliche theoretisch maximal mögliche Gesamtkapazität, die durch den jeweils schwächsten Teilprozess bzw. einen sogenannten Bottleneck begrenzt wird. Um den sich täglich einstellenden bzw. sich verändernden Bottleneck-Prozess zu betrachten, können dabei täglich für jedes Teilprodukt die mögliche Ausbringung von den Teilprozessen dargestellt und aufsummiert werden. Unabhängig von Tagesschwankungen, die in den Entkopplungsbereichen abgefangen werden können, ergibt sich im Ramp-Up im Normalfall immer ein sogenanntes chronisches Bottleneck, das den Gesamtoutput begrenzt und nur bedingt durch Arbeitszeitmodelle oder Entkopplungen eliminiert werden kann.
3 zeigt eine Darstellung einer Überkapazität K+ der Teilprozesse 3 des beispielhaften Fertigungssystems 2, die in dem Verfahren 1 mittels des Produktionsmodels berechnet werden können. Mit der durchbrochenen Linie ist die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in den jeweiligen Teilprozessen 3 gezeigt. Die Überkapazität K+ ist dabei die Differenz, die über der herstellbaren Ausbringungsmenge liegt. In 3 ist die Überkapazität K+ in Teilprodukten pro Tag für jeden Teilprozess 3 dargestellt.
4 zeigt eine Darstellung einer Unterkapazität K- der Teilprozesse 3 des beispielhaften Fertigungssystems 1, die in dem Verfahren 1 mittels des Produktionsmodels berechnet werden können. Die Unterkapazität K- kann dabei als eine Differenz der herstellbaren Ausbringungsmenge der jeweiligen Moduleinheit 4 und der maximalen Ausbringungsmenge der jeweiligen Moduleinheit 4 berechnet werden. In 4 ist die Unterkapazität K- in Teilprodukten pro Tag für jeden Teilprozess 3 dargestellt.
5 zeigt einen zeitabhängigen Verlauf einer Ausbringungsmenge A bei einem Hochlauf des Fertigungssystems 2. Die Zeitachse ermöglicht eine tägliche oder wöchentliche oder monatliche Darstellung. Dieser Darstellung können für den Ramp-Up wichtige Informationen wie Fokusbereiche entnommen werden.
6 zeigt einen zeitabhängigen Verlauf einer Gesamt-Ausbringungsmenge P bei dem Hochlauf des Fertigungssystems 1. Mit Balken sind hier Stresstest visualisiert, die regelmäßig - beispielweise monatlich - beim Hochlauf des Fertigungssystems 2 durchgeführt werden können. Das Zusammenspiel zwischen den Stresstest, die das Fertigungssystems 2 über ein bis drei Tage hinweg an ihre Grenzen bringt, und einer Erholungszeit zwischen den Stresstest ermöglicht es, die Erkenntnisse über das Fertigungssystem 2 zu verbessern und sind sehr wichtig. Nach einer Zeit kann auch mit täglichen Produktionszielen eine kontinuierliche Verbesserung der Anlagenperformance erreicht werden.
7 zeigt einen zeitabhängigen Verlauf von Engpässen bei dem Hochlauf des beispielhaften Fertigungssystems 2. 8 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Ausschuss bei dem Hochlauf des beispielhaften Fertigungssystems 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009007477 A1 [0003]
DE 102010018634 A1 [0004]

Claims

Verfahren (1) zum Auslegen eines Fertigungssystems (2) zum Herstellen von Batteriemodulen, wobei das Fertigungssystem (2) mehrere Moduleinheiten (4) mit jeweils wenigstens einem Modul (5) aufweist und jede Moduleinheit (4) im Betrieb des Fertigungssystems (2) in einem Teilprozess (3) abhängig von der Anzahl der Module (5) eine herstellbare Ausbringungsmenge eines Teilprodukts herstellen kann; umfassend folgende Maßnahmen: a) Erstellen eines Produktionsmodells des Fertigungssystems (2), umfassend folgende Schritte: i. Anordnen aller in den Moduleinheiten (4) durchzuführenden Teilprozesse (3) entsprechend einer zeitlichen Herstellungsabfolge (HF) der Batteriemodule und eines Zusammenhangs der Teilprozesse (3) parallel oder seriell zueinander; ii. Parametrisieren aller Teilprozesse (3) mit wenigstens einem teilprozess- und/oder teilproduktrelevanten Parameter; iii. Verknüpfen der Teilprozesse (3) über die herstellbare Ausbringungsmenge entsprechend der zeitlichen Herstellungsabfolge (HF) und entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge (HF) unter Berücksichtigung des Zusammenhangs der Teilprozesse (3) miteinander; b) Auslegen des Fertigungssystems (2) basierend auf dem erstellten Produktionsmodell des Fertigungssystems (2).
Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass im Schritt iii) der Maßnahme a) bei allen Teilprozessen (3) die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in jedem zeitlich unmittelbar vorangehenden Teilprozess (3) als Input-Daten jedes zeitlich unmittelbar nachfolgenden und zusammenhängenden Teilprozesses (3) gesetzt wird, und - dass im Schritt iii) der Maßnahme a) bei allen Teilprozessen (3) die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in jedem zeitlich unmittelbar nachfolgenden Teilprozess (3) als Input-Daten jedes zeitlich unmittelbar vorangehenden und zusammenhängenden Teilprozesses (3) gesetzt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maßnahme b): - in einer Maßnahme b1) eine Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule abhängig von einer vorgegebenen Anzahl der Module (5) in den jeweiligen Moduleinheiten (4) anhand des Produktionsmodells berechnet wird, und/oder - in einer Maßnahme b2) eine Anzahl der notwendigen Module (5) in den jeweiligen Moduleinheiten (4) abhängig von einer vorgegebenen Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule anhand des Produktionsmodells berechnet wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maßnahme b1): - in einer Maßnahme b1-1) dem zeitlich ersten Teilprozess (3) seine maximale Ausbringungsmenge des Teilprodukts als Input-Daten gesetzt wird; - in einer Maßnahme b1-2) bei allen Teilprozessen (3) entsprechend der zeitlichen Herstellungsreihenfolge die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts berechnet wird, wobei die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem zeitlich vorangehenden Teilprozess (3) als Input-Daten des zeitlich nachgeordneten und zusammenhängenden Teilprozesses (3) gesetzt wird; und - in einer Maßnahme b1-3) die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule als die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem zeitlich letzten Teilprozess (3) gesetzt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, - dass in der Maßnahme b1) eine Überkapazität der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts wenigstens einer der Moduleinheiten (4) basierend auf einer berechneten Ausbringungsmenge des Teilprodukts der jeweiligen Moduleinheit (4) und einer maximalen Ausbringungsmenge des Teilprodukts der jeweiligen Moduleinheit (4) berechnet wird, und/oder - dass in der Maßnahme b1) eine Unterkapazität der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts wenigstens einer der Moduleinheiten (4) basierend auf einer berechneten Ausbringungsmenge des Teilprodukts der jeweiligen Moduleinheit (4) und einer maximalen Ausbringungsmenge des Teilprodukts der jeweiligen Moduleinheit (4) berechnet wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, - dass die Überkapazität der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts wenigstens einer der Moduleinheiten (4) bezüglich der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts visualisiert und an einen Nutzer ausgegeben wird, und/oder - dass die Unterkapazität der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts wenigstens einer der Moduleinheiten (4) bezüglich der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts visualisiert und an einen Nutzer ausgegeben wird.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maßnahme b2): - in einer Maßnahme b2-1) die vorgegebene Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule dem zeitlich letzten Teilprozess (3) als Input-Daten gesetzt wird; - in einer Maßnahme b2-2) bei allen Teilprozessen (3) entgegen der zeitlichen Herstellungsabfolge (HF) die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts berechnet wird, wobei die herstellbare Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem zeitlich nachgeordneten Teilprozess (3) als Input-Daten des zeitlich vorangehenden und zusammenhängenden Teilprozesses (3) gesetzt wird; und - in einer Maßnahme b2-3) die Anzahl der Module (5) jeder zum Durchführen des einzelnen Teilprozesses (3) vorgesehenen Moduleinheit (4) basierend auf der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts in dem jeweiligen Teilprozess (3) berechnet wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maßnahme b2-3) die Anzahl der notwendigen Module (5) in der jeweiligen Moduleinheit (4) als ein auf ein Ganzes aufgerundetes oder auf ein Ganzes abgerundetes Verhältnis der herstellbaren Ausbringungsmenge des Teilprodukts der Moduleinheit (4) und der maximalen Ausbringungsmenge des Teilprodukts des einzelnen Moduls (5) bestimmt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass in der Maßnahme a) im Schritt ii) wenigstens einer der Teilprozesse (3), vorzugsweise alle Teilprozesse (3), mit einer Verfügbarkeit, vorzugsweise mit einer Gesamtanlageneffektivität, als einem der wenigstens einen Parameter parametrisiert wird; und/oder - dass in der Maßnahme a) im Schritt ii) wenigstens einer der Teilprozesse (3), vorzugsweise alle Teilprozesse (3), mit einer Herstellungsgeschwindigkeit als einem der wenigstens einen Parameter parametrisiert wird; und/oder - dass in der Maßnahme a) im Schritt ii) wenigstens einer der Teilprozesse (3), vorzugsweise alle Teilprozesse (3), mit einem Ausschuss als einem der wenigstens einen Parameter parametrisiert wird; und/oder - dass in der Maßnahme a) im Schritt ii) wenigstens einer der Teilprozesse (3), vorzugsweise alle Teilprozesse (3), mit einer Taktzeit als einem der wenigstens einen Parameter parametrisiert wird; und/oder - dass in der Maßnahme a) im Schritt ii) wenigstens einer der Teilprozesse (3), vorzugsweise alle Teilprozesse (3), mit einem Arbeitsmodell, insbesondere mit einer erreichbaren Arbeitszeit der jeweiligen Moduleinheit (4) pro Tag und/oder pro Woche und/oder pro Jahr, als einem der wenigstens einen Parameter parametrisiert wird; und/oder - dass in der Maßnahme a) das Produktionsmodell insgesamt mit einem Arbeitsmodell, insbesondere mit einer erreichbaren Arbeitszeit der jeweiligen Moduleinheit (4) pro Tag und/oder pro Woche und/oder pro Jahr, als einem der wenigstens einen Parameter parametrisiert wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Ausbringungsmenge des Teilprodukts als eine Tages-Ausbringungsmenge des Teilprodukts, die eine Menge des in dem jeweiligen Teilprozess (3) in der jeweiligen Moduleinheit (4) erstellten Teilprodukts pro Tag angibt, verwendet wird, und/oder - dass die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule als eine Tages-Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule, die eine Menge der in dem Fertigungssystem (2) erstellten Batteriemodule pro Tag angibt, verwendet wird, und/oder - dass die die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule als eine Jahres-Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule, die eine Menge der in dem Fertigungssystem (2) erstellten Batteriemodule pro Jahr angibt, verwendet wird, und/oder - dass die die Gesamt-Ausbringungsmenge der Batteriemodule als eine Jahr-Kapazität-Ausbringungsmenge der Batteriemodule, die eine in Watt pro Stunde erfasste Energiekapazität der in dem Fertigungssystem (2) erstellten Batteriemodule pro Jahr angibt, verwendet wird.
Steuerungseinheit, wobei die Steuerungseinheit zum Ausführen des Verfahrens (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgelegt ist.