Alors que la transition énergétique et l’électrification de la mobilité entraînent une demande explosive de batteries, Christophe Mazeaud, directeur de Battery Industry SolutionSiemens Digital Industries Software, discute du rôle clé que joue un programme de qualité holistique dans la mise à l’échelle et la stabilisation de la production de batteries.

Ce que nous constatons dans le paysage de la fabrication de batteries est une volonté extraordinaire de répondre à une demande sans précédent, et cet environnement rend les solutions numériques essentielles pour atteindre les objectifs de qualité, de coût, de volume et de livraison. La gestion de la qualité est au cœur de ces efforts. Seule une solution de fabrication numérique intégrant une culture de la qualité tout au long du cycle de conception et de fabrication permet aux fabricants de cellules, de modules et de packs d’adapter et de stabiliser efficacement leur production sur ce marché très exigeant.

Tendances du marché et défis de fabrication

La demande croissante de batteries que nous constatons est en grande partie motivée par les forces du marché liées au climat, notamment la production accélérée de véhicules électriques et de solutions de stockage d’énergie, ainsi que diverses incitations financières de la part des gouvernements du monde entier. Ces gouvernements espèrent encourager le développement local de gigafactories (usines dont la capacité de production annuelle se mesure en gigawattheures) et récolter la manne économique qui en découlerait.

En réponse, les fabricants entrent en grand nombre sur le marché des batteries, ce qui conduit au développement d’usines entièrement nouvelles dans presque toutes les régions du monde et à la remise à neuf d’usines par les fabricants de batteries et les équipementiers automobiles existants. Ces évolutions entraînent à la fois une pression sur les prix et la nécessité d’une innovation continue des produits et d’une amélioration des processus. Dans de telles conditions, il est difficile pour les fabricants, débutants comme expérimentés, de produire des batteries de haute qualité de manière rentable et à grande échelle.

Trois caractéristiques principales de l’industrie actuelle des batteries contribuent à ce défi. Le premier est la nouveauté de l’industrie. La microstructure et la composition chimique des matériaux des batteries ont un impact considérable sur la qualité et les performances des batteries, et les interdépendances des matériaux et des processus tout au long de la chaîne de valeur ne sont pas encore bien comprises. De plus, la compréhension des interdépendances est un objectif mouvant, avec des innovations rapides en matière de produits et de processus en constante évolution à mesure que la fabrication de batteries évolue. La nouveauté technologique rend difficile, tant pour les startups que pour les entreprises historiques, la définition de paramètres de contrôle dans le processus de production de batteries.

La deuxième caractéristique difficile de l’industrie est le besoin d’évolutivité. Un écosystème de production de batteries, qu’il s’agisse d’une usine nouvellement construite ou d’une usine existante, doit être capable d’évoluer rapidement sans nuire à la qualité des batteries. Avec la croissance exponentielle de la demande de batteries, tous les fabricants doivent rapidement augmenter la production de chaque ligne, souvent tout en construisant plusieurs lignes et usines en parallèle. Ce défi est aggravé pour les startups qui développent également leur organisation en même temps.

Troisièmement, le respect de réglementations strictes et en évolution rapide nécessite un niveau élevé de traçabilité à travers trois types distincts de fabrication : les processus par lots, continus et discrets. À cet égard, les nouvelles entreprises ont un avantage sur les entreprises historiques. Ils peuvent transformer ce défi en opportunité en mettant en place dès le début le paysage adéquat des technologies de l’information et des technologies opérationnelles (IT/OT). La traçabilité peut ensuite être assurée grâce à des connexions transparentes entre les plateformes numériques.

Construire plus rapidement de meilleures batteries en tirant parti de solutions numériques innovantes et avancées, de la conception à la fabrication des batteries.

Siemens Digital Industries Software collabore avec les fabricants de batteries pour développer des solutions de fabrication innovantes pour relever ces défis. Grâce à ces collaborations, nous avons réalisé l’importance des solutions de fabrication numérique pour réaliser une production de batteries en grand volume et de haute qualité. Si les entreprises veulent contrôler et documenter la qualité de bout en bout tout en gérant la complexité, l’innovation et l’évolutivité rapide qui caractérisent l’écosystème actuel de fabrication de batteries, elles doivent trouver comment accélérer la production de batteries tout au long du cycle de vie du produit et mettre en œuvre une fabrication intelligente. stratégie.

Fournir des batteries de haute qualité nécessite de gérer différents processus tout au long du cycle de vie du produit, du développement de nouveaux produits à la production de masse. Il est essentiel de concevoir dans un esprit de qualité pour accélérer la production de batteries. Les ingénieurs qualité peuvent exploiter les données d’ingénierie, telles que les modèles 2D ou 3D, pour acquérir des informations pertinentes ou effectuer des évaluations de tolérance, et la qualité du projet peut être surveillée et approuvée selon les étapes respectives. Les risques peuvent être identifiés, évalués et atténués dans les structures virtuelles de produits et de processus, et les risques résiduels peuvent être gérés via un plan de contrôle.

Par « fabrication intelligente », nous entendons une stratégie numérique qui englobe l’ensemble du processus de fabrication, depuis la conception des batteries et l’optimisation de l’usine jusqu’à l’orchestration rationalisée des opérations de fabrication, en passant par l’échantillonnage et les tests rapides et précis. La fabrication intelligente intègre pleinement tous les systèmes numériques pour garantir la qualité et l’efficacité tout au long du processus de fabrication des batteries. Pour gérer le rythme rapide de l’innovation en matière de batteries, une approche numérique entièrement intégrée permet de capturer les connaissances acquises à mesure que chaque nouveau matériau ou processus est mis en production. Les informations de fabrication développées à partir de ces connaissances capturées peuvent être utilisées pour améliorer la prochaine exécution du produit et réutilisées sur la prochaine génération de batteries.

Nous avons développé les solutions Siemens Accelerated Battery Development et Smart Battery Manufacturing dans le but d’aider les fabricants de batteries à atteindre l’efficacité, la préparation et l’excellence en matière de fabrication. Ceci est accompli grâce à des machines, des processus et des systèmes intégrés et standardisés ; planification et simulation multidisciplinaires virtuelles; et des lignes connectées, automatisées et surveillées en permanence.

Atteindre l’excellence en matière de qualité avec une solution de gestion de la qualité en boucle fermée

Dans un écosystème numérisé pour l’industrie des batteries, la culture de la qualité doit être au cœur. Les solutions Siemens orchestrent de manière cohérente les processus tout au long des trois phases principales du développement et de la production des batteries : (1) conception et planification, (2) exécution et contrôle, et (3) amélioration continue.

Conception pour la qualité et planification de la qualité—Dès le tout début du développement du produit, les concepteurs de batteries doivent appliquer les directives et normes de qualité du marché automobile ou d’autres marchés d’utilisateurs finaux. En se déplaçant vers la gauche, les concepteurs et les ingénieurs doivent résoudre les problèmes dans le domaine virtuel plutôt que de les découvrir dans l’atelier de fabrication. Avec les solutions de gestion de la qualité en boucle fermée de Siemens, les ingénieurs produits, fabrication et qualité travaillent simultanément dans le même environnement numérique, tirant parti des modèles numériques des efforts de chacun. Par exemple, l’analyse des modes de défaillance de conception et de leurs effets (FMEA) est construite à partir de la nomenclature d’ingénierie (eBOM). Les informations sur la fabrication des produits (PMI) comprennent des modèles 3D, qui servent de point de départ aux plans de contrôle qualité. De nombreuses autres tâches collaboratives bénéficient de la solution numérique entièrement intégrée.

Une solution de gestion de la qualité en boucle fermée maintient automatiquement la traçabilité des changements, des évolutions et des décisions d’ingénierie, ce qui présente un grand avantage pour l’ensemble de l’équipe d’ingénierie des batteries. Grâce à cette solution, l’équipe peut maintenir le livrable de qualité à jour et synchronisé avec les exigences et les modifications techniques avec beaucoup moins d’efforts.

Exécution et contrôle de la qualité— Dans le cadre du flux complet représenté, deux autres systèmes de la solution de fabrication intelligente pour batteries exécutent numériquement les plans de contrôle définis virtuellement. Il s’agit du système d’exécution de la fabrication (MES) et du système de gestion des informations de laboratoire (LIMS). Cette approche numérique holistique impose préventif pratiques de qualité, en évitant les erreurs humaines et en amenant rapidement la chaîne de production à un niveau de qualité stable.

Pour que l’usine de batteries atteigne le niveau supérieur de qualité et de performance prédictif Les capacités de contrôle qualité et d’analyse des données au sein de la solution de fabrication intelligente combinent les paramètres de processus, le traitement des images, les contrôles des performances des produits et le contexte environnemental, et exploitent les algorithmes d’apprentissage automatique. A terme, l’objectif est d’atteindre le prescriptif niveau de qualité. Garantir la qualité des produits à ce niveau implique d’injecter des analyses de données dans des modèles de simulation déployés en périphérie pour calculer et appliquer des actions correctives à la volée.

Amélioration continue – Bien entendu, les défauts ou non-conformités (NC) ne peuvent pas être complètement évités grâce à une planification rigoureuse ni éliminés grâce à une surveillance constante du processus de production. Au lieu de cela, une solution de fabrication intelligente gère efficacement les non-conformités et permet une réaction rapide ainsi qu’un apprentissage continu. Les non-conformités sont capturées numériquement et traitées immédiatement au niveau de l’atelier, qu’elles soient détectées lors de l’inspection des marchandises entrantes, des inspections en ligne ou des tests de contrôle qualité hors ligne en laboratoire.

Lorsque cela est nécessaire, certains problèmes de qualité sont transmis au domaine de l’ingénierie pour déclencher une analyse appropriée des causes profondes. Au sein des fils numériques Siemens, le processus de résolution de problèmes se déroule sur la même plateforme collaborative que la conception des produits, la planification de la fabrication et l’ingénierie qualité. L’intégration complète permet une gestion centralisée des problèmes et des actions, ainsi qu’une identification intuitive des améliorations requises, dans n’importe quel domaine au niveau de l’entreprise.

Non seulement les problèmes de qualité sont traités rapidement, mais des mesures sont également prises immédiatement pour éviter toute récidive. Les leçons apprises sont capturées au profit de tous les départements et usines. Le résultat est une véritable amélioration continue de la qualité.

Avantages au sein de l’usine de fabrication de batteries et au-delà

Faire évoluer et stabiliser efficacement la production de cellules, modules et packs de batteries est l’objectif et le principal avantage des solutions de développement accéléré de batteries et de fabrication intelligente avec une approche qualité en boucle fermée.

Parmi les autres avantages directs pour le fabricant de batteries, citons :

• Minimiser les coûts de mauvaise qualité grâce à une amélioration continue tout au long du cycle de vie du produit
• Délai de mise sur le marché et de mise à l’échelle plus rapides grâce à une collaboration interdomaine dans un développement de produits axé sur la qualité
• Commencez et restez conformes grâce à des processus qualité traçables, auditables et basés sur des modèles.

Il existe des analyses de rentabilisation convaincantes en faveur de la transformation numérique et de la gestion de la qualité dans ce secteur en croissance et en évolution rapide. Les solutions Siemens Accelerated Battery Development et Smart Manufacturing avec gestion de la qualité en boucle fermée accélèrent l’adoption de processus de développement et de production de batteries intelligents, efficaces et adaptables. Cette technologie numérique permet aux centres de développement et aux usines de fabriquer des cellules, modules et packs de batteries qui répondent aux objectifs de qualité, de débit, de coût et de durabilité. Les informations acquises à partir des données de conception et d’exploitation permettent une amélioration continue et une agilité accrue. Ces capacités permettent aux fabricants de batteries d’assurer une position dominante dans ce secteur en pleine expansion.

Les solutions de gestion de la qualité en boucle fermée de Siemens vont au-delà du paradigme traditionnel de l’entreprise elle-même et s’étendent à l’entreprise élargie. Les solutions renforcent la collaboration avec les fournisseurs en amont ainsi que l’évaluation et la surveillance en aval des processus qualité fondamentaux. Ces liens étroits avec les fournisseurs et les auditeurs sont essentiels, d’autant plus que l’industrie des batteries intègre des normes de qualité fréquemment mises à jour et innove en matière de chimie et de formats de cellules, de nouveaux matériaux et de technologies durables de nouvelle génération.

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