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Manuel_Baumeister

Dipl.-Ing. Manuel Baumeister

Akad. Mitarbeiter
Bereich: Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung
Sprechstunden: nach Vereinbarung
Raum: 129, Geb. 50.36
Tel.: +49 721 608-28314
Fax: +49 721 608-28284
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Campus Süd


Dipl.-Ing. Manuel Baumeister

Forschungs- und Arbeitsgebiete:

  • Simulation und Entwicklung mechatronischer Komponenten und Systeme
  • Automatisierte Handhabung keramischer Grünfolien
  • Produktion von Lithium-Ionen-Zellen

Allgemeine Aufgaben:

Projekte:


Lebenslauf:

Seit 05/2011 Wissenschaftlicher Angestellter am wbk Institut für Produktionstechnik
2004 – 2011 Maschinenbaustudium an der Universität Karlsruhe (TH)
24.07.1984 geboren in Karlsruhe

 

Veröffentlichungen

[ 1 ] Fleischer, J.; Ruprecht, E.; Baumeister, M. & Haag, S. (2012), „Automated Handling of Limp Foils in Lithium-Ion-Cell Manufacturing “. Leveraging Technology for a Sustainable World, Hrsg. David A. Dornfeld and Barbara S. Linke , Springer, S. 353-356.
Abstract:
Manufacturing lithium-ion cells for automotive applications requires special solutions not only for the production of electrodes and separators, but also for cell assembly as the limp foil sheets are stacked to form a cell stack. The automated handling of limp foils like anode, cathode and especially, the separator, which is also porous, is critical for the life cycle performance of the cells. Therefore, high requirements must be met as regards the applied forces during gripping and the fixing of foils in different handling procedures. A force sensitive handling method has been selected, where the gripping force can be adjusted and regulated in a closed-loop-control. This solution has the potential to contribute to an improvement in the reliability of handling processes for the production of lithium-Ion-cells.

[ 2 ] Fleischer, J.; Ruprecht, E.; Baumeister, M. & Haag, S. (2012), „Das Produktionssystem für Batterien“. Die Zukunft der Fertigungstechnik, Hrsg. Technische Universität Wien, neuer wissenschaftlicher Verlag, S. 7-16.
Abstract:
Die Fertigung neuentwickelter Batterien für die Anwendung in der Elektromobilität stellt eine Vielzahl von Herausforderungen an die Produktionstechnik. Das Fertigungssystem für Batterien muss technologieflexibel, modular, "smart" automatisiert, lernfähig und skalierbar sein. Technologieflexibilität stellt die weitere Verwendbarkeit von Anlagen sicher, auch nach technologischen Weiterentwicklungen der Zelle. Modular bedeutet, dass Anlagenteile verschiedener Hersteller miteinander kombiniert werden können und über ihre Maschinenschnittstellen hinweg in einem Gesamtsystem zusammen agieren. Durch „smarte“ Automatisierung wird eine hohe Produktqualität für die noch unreifen Prozesse der Batterieherstellung bei guter Wirtschaftlichkeit ermöglicht. Zudem ist das Thema Lernfähigkeit beim Sammeln von Prozesswissen wichtig um dadurch Kosten für die Qualitätssicherung zu reduzieren. Zu guter Letzt müssen Produktionsanlangen skalierbar gestaltet sein um auf die noch unbekannten Anforderungen, die geforderten Stückzahlen betreffend, reagieren zu können.
Um all diesen Ansprüchen gerecht zu werden und die Batteriefertigung auf ein hohes Niveau zu bringen besteht weiterhin großer Forschungs- und Handlungsbedarf.

[ 3 ] Baumeister, M. & Fleischer, J. (2014), „Integrated cut and place module for high productive manufacturing of lithium-ion cells“. CIRP Annals - Manufacturing Technology, Hrsg. Elsevier, S. 5-8.
Abstract:
A main reason for the high costs of lithium-ion cells is the complexity of the assembly process. Especially, creating the cell stack is an inefficient process due to an immature handling and aligning of the limp electrodes and separators. This paper focuses therefore on the methodical development of a functionally integrated assembly module that combines cutting and handling of electrode sheets to increase stacking accuracy, process reliability and productivity. Based on an analysis of requirements and functions, a technical solution has been identified and will be illustrated. At the end, the realized module is described and its performance is proven by experimental validation.

[ 4 ] Baumeister, M. & Fleischer, J. (2015), „Function integrated machine module for the production of cell stacks“. EST - Book of Abstracts, Hrsg. Karlsruher Institut für Technologie (KIT), S. 352.
Abstract:
In Germany, we are currently experiencing a change of climate policy, mainly driven by cabinet decisions of the Federal Government of 6 June 2011 regarding the energy transition law. For this reason, the electrification of the powertrain and the establishment of stationary battery storage devices to complement wind turbines and photovoltaic systems are increasingly moving into the focus of German companies and research facilities. The biggest challenge in both application fields is the development of powerful and cost-effective battery cells [1]. In order to reach the cost objectives demanded by the industry, it is necessary to improve the technologies used to assemble the battery cells. Regarding the whole assembly process for lithium-ion pouch-cells, building up the cell stack by using single sheets represents the most critical process step. Thereby, the material web for the anodes and cathodes which were coated in a previous step are processed to become single sheets by mechanic or laser cutting. Afterwards, they are stacked on top of each other with separator sheets in a repetitive sequence by pick and place processes [2]. In response to this task, the wbk Institute of Production Science at KIT (Karlsruhe Institute of Technology) is working on an approach for developing a functional integrated machine tool (Figure 1) with low investment and running costs which cuts and deposits single electrode sheets with high precision. The core of this machine module is a stamping tool with an integrated vacuum gripper. At the moment of cutting, the orientation of the electrode is retained by the gripper and the sheet is guided to the bottom of the machine module where it is deposited with high accuracy inside a shaft magazine for the subsequent stacking process. In contrast to other state of the art machines, no expensive sensors for the detection of the electrode’s position and no aligning of the sheets by additional machine axis is necessary, due to the integrated vacuum handling system. Furthermore, one reason for low running costs is the fact that the cutting residue is removed after leaving the stamping tool by separating the valuable part from the waste that needs to be disposed at the operators expense (Figure 2). This is done by using circular blades, which are arranged directly at the outlet orifice of the tool. Contemporary, the above described machine module is used to fill shaft magazines which later have to be transported manually to the subsequent cell assembly steps. In the future, two machine modules, one for the anodes and one for the cathodes, may be connected and supplemented with a separator machine to produce complete cell stacks automatically.

[ 5 ] Spiller, Q.; Baumeister, M. & Fleischer, J. (2015), „Untersuchung der Einflussfaktoren auf die Umformbarkeitmetallischer Grünfolien“. 7. Kolloquium Mikroproduktion, Hrsg. Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), S. 222-229.
Abstract:
Die Weiterverarbeitung von Grünfolien durch Prägen stellt eine wirtschaftliche und ressourcenschonende Möglichkeit zur Formgebung dar. Im Rahmen des AIF Projektes INKA wird neben dem Prägen auch das Tiefziehen zur Strukturierung von metallischen und keramischen Grünfolien untersucht. Als Eingangsgrößen werden dabei Werkstoffparameter, Prozessparameter sowie Geometrieparameter des Werkzeuges nach einem Einfluss auf die Umformbarkeit untersucht. Zur Ermittlung der Zusammenhänge werden Methoden der statistischen Versuchsplanung und -auswertung angewendet. Hierdurch werden Haupt- und Wechselwirkungseffekte auf die jeweiligen Zielgrößen identifiziert. Kern der vorliegenden Veröffentlichung ist die Ermittlung der Einflussfaktoren auf die Prägbarkeit metallischer Grünfolien.

[ 6 ] Spath, D. & Baumeister, M. (2002), „Wandlungsfaehigkeit und Planung von Fabriken Ein Ansatz durch Fabriktypologisierung und unterstützenden Struktrubaukasten“, ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, S. 28-32.
Abstract:
Spath, D.; Baumeister, M.: Wandlungsfaehigkeit und Planung von Fabriken Ein Ansatz durch Fabriktypologisierung und unterstützenden Struktrubaukasten. ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Jahrgang 97 (2002), Carl-Hanser Verlag, München, S.28-32.

[ 7 ] Fleischer, J.; Sell-Le Blanc, F.; Baumeister, M.; Spohrer, A.; Lütticken, F. & Hennrich, H. (2014), „Alternative Regelstrategien für Vorschubachsen“, VDI-Z Integrierte Produktion, Band 1, S. 43-45.
Abstract:
Steigende Preise am Energiemarkt forcieren den Einsatz und die Entwicklung energiesparender Komponenten von Werkzeugmaschinen. Am wbk Institut für Produktionstechnik in Karlsruhe werden daher neue Ansätze zur Erhöhung der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen entwickelt. Dieser Artikel fokussiert die optimierte Regelung von Vorschubachsen, welche neben einer hohen Präzision und Dynamik eine Verringerung des Stellaufwands der Antriebe zum Ziel hat. Im Vergleich zum konventionellen, kaskadierten Regler werden alternative Regelungsstrategien anhand eines an einem Versuchsträger validierten Modells vorgestellt. Es wird gezeigt, dass mit dem Einsatz von zustandsrückführungsbasierten Ansätzen, wie beispielsweise dem Ricatti-Regler, die Leistungsaufnahme von Vorschubachsen prinzipiell gesenkt werden kann.

[ 8 ] Baumeister, M. & Fleischer, J. (2014), „Feinstanzmodul für die Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen“, ZWF - Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, S. 301-304.
Abstract:
Ein wesentlicher Grund für die hohen Kosten von Lithium-Ionen-Batterien liegt in der Komplexität der eingesetzten Produktionsanlagen in heutigen Zellfabriken. Besonders der automatisierte Aufbau des Zellstapels, der aus einzelnen, formlabilen Elektroden und Separatoren besteht, ist auf Grund einer Vielzahl serieller Handhabungsprozesse in der heutigen Anlagentechnik ineffizient und deswegen kostentreibend. In diesem Beitrag wird, diesem Umstand Rechnung tragend, die Erforschung eines Maschinenmoduls für die Bereitstellung von einzelnen Elektrodenblättern beschrieben. Basierend auf einer technischen Analyse von Schnittverfahren wird eine konstruktive Lösung für ein solches Maschinenmodul hergeleitet und seine Eignung als Baustein in einer Gesamtanlage zur Stapelbildung diskutiert.

[ 9 ] Baumeister, M.; Fleischer, J. & Grether, G. (2016), „Sensorik zur Detektion einer Beschichtungskante in der Lithium-Ionen-Zellfertigung“, Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, S. 32-35.
Abstract:
Bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen müssen aus beschichteten Materialbahnen einzelne Elektrodenblätter ausgestanzt und anschließend mit hoher Präzision deckungsgleich übereinandergestapelt werden. Um Batteriezellen mit hoher Qualität zu erzielen, muss die Beschichtungskante der Materialbahn unmittelbar vor dem Stanzvorgang detektiert und zum Stanzwerkzeug ausgerichtet werden. Dieser Beitrag beschreibt den Konzeptions- und Entwicklungsprozess eines hierfür geeigneten Sensorsystems. Zu Beginn finden hierzu eine Analyse und eine Bewertung der physikalischen Effekte statt, die sich zur Detektion der Beschichtungskante nutzen lassen. Im Anschluss werden die Entwicklung und die Realisierung des Sensorsystems auf der Basis eines Zeilenkameramoduls beschrieben. Dies umfasst sowohl den Hardwareaufbau als auch die Funktionsweise des Auswertealgorithmus, der auf einer Mikrocontrollerplattform umgesetzt wurde. Den Abschluss des Beitrags bildet die Validierung des Sensorsystems als Messglied innerhalb einer Regelschleife am Beispiel eines am KIT befindlichen Demonstrators zur Zellfertigung.

[ 10 ] Fleischer, J. & Baumeister, M. (2016), „Funktionsintegriertes Maschinenkonzept für die Einzelblatt-Stapelbildung von Lithium-Ionen-Zellen“. Batterieforum Deutschland - Posterabstracts und Projektvorstellungen, Hrsg. Krausa, M..
Abstract:
Bei der Montage einer Lithium-Ionen-Zelle stellt der Aufbau des Zellstapels einen kritischen weil kostenintensiven Prozessschritt dar. Bei der Stapelbildung mit Einzelblättern werden die Elektrodenbahnen, die in einem vorhergehenden Schritt beschichtet und kalandriert wurden, zusammen mit einer Separatorbahn zunächst zu Einzelblättern konfektioniert und anschließend mittels Pick&Place-Prozessen in einer abwechselnden Abfolge wiederkehrend und mit hoher Präzision übereinandergestapelt. Das Zusammenspiel aus hohen Qualitätsanforderungen, sensiblen Materialien und hohen, geforderten Taktraten hat zur Folge, dass in heutigen Fertigungsanlagen oftmals keine wirtschaftliche Produktion möglich ist. Das Ziel des wbk Institut für Produktionstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist deshalb die Entwicklung einer Maschine zur Herstellung des Zellstapels einer Lithium-Ionen-Zelle mit niedrigen Investitions- und Betriebskosten. Den Kern der Forschungsarbeit, die das wbk innerhalb des Projekts „Competence E“ durchführt, stellt sowohl die Modularisierung als auch die Konzeption und Konstruktion der Maschine dar. Begleitend zu den theoretischen Arbeiten findet die Realisierung, Erprobung und Optimierung der Maschine statt. Das Poster beschreibt den Grundgedanken und die bisherigen Ergebnisse des Entwicklungsansatzes, welcher ein funktionsintegriertes Stanzwerkzeug zur Erzeugung der Einzelblätter einer Lithium-Ionen-Zelle darstellt, die mit integrierten Vakuumgreifern gleichzeitig gehandhabt und präzise auf einem Stapel abgelegt werden können. Im Vergleich zu anderen Maschinen aus dem Stand der Technik ist hierzu keine aufwändige und taktratenreduzierende Bildverarbeitung nötig um die Orientierung der Einzelblätter zu detektieren und anschließend auszurichten. Stattdessen kommt lediglich ein kostengünstiger Sensor zur Detektion der Aktivmaterialkante auf den Elektrodenbahnen zum Einsatz, der ebenfalls im Rahmen der Forschungsarbeiten am wbk entstanden ist. Sein Aufbau basiert auf einer einfachen Zeilenkamera die mithilfe eigens entwickelter Elektronik und einem Auswertealgorithmus auf einer Mikrocontrollerplattform arbeitet, dessen Funktionsweise ausführlich dargelegt wird. Abschließend sollen die Potentiale hinsichtlich der erreichbaren Zellqualität und der Produktionsgeschwindigkeit diskutiert werden. Zudem sollen Optimierungspotentiale für die Gesamtmaschine und Möglichkeiten für zukünftige Arbeiten erläutert werden.