Innovative machine design and digital twin simulation for integrated operations in Li-ion battery assembly

In recent years, the lithium-ion battery (LIBs) market has grown significantly, driven by the increasing demand for electric vehicles and electricity storage solutions. As the battery industry keeps growing, manufacturers face pressure to cut down the cost while providing higher-quality products. One promising solution is digital twin technology, which allows manufacturers to build, simulate, and optimize production processes in a virtual environment. First, a machine integrating stacking and tab-welding operations into a single unit, called ZFS-TWTM, was designed in Autodesk Inventor, taking into account mechanical, operational, and spatial constraints. The first draft was then vali dated in Inventor, ensuring that all constraints were respected and the target met. As a result of these two steps, the final design of the ZFS-TWTM was completed, producing a machine that improves the workflow and reduces the overall cycle time of both operations by eliminating the need for manual handling. Subsequently, the machine was integrated into a LIBs assembly line, modeled in Tecnomatix Plant simulation, a discrete-event sim ulation (DES) software. The virtual model, containing machines and equipment modeled using data coming from the physical world, was then used to simulate the behavior of the assembly line. The simulation results were then used to optimize the assembly line by identifying and addressing the bottleneck and removing redundant machines. Further more, the simulation played a key role in assessing the optimal number of workers and buffer capacity. The digital twin proved to be a powerful tool, enabling the introduction of a newly designed machine into the production line and optimizing the line itself. Fi nally, a mechanical layout of the assembly line was created, once again using Inventor. Particular attention was given to designing an automatic connection between the cutting station and the ZFS-TWTM using a conveyor belt. This automation reduced the need for manual labor, thereby minimizing the possibility of human error and the cycle time of the assembly line.

Negli ultimi anni, il mercato delle batterie agli ioni di litio (LIBs) è cresciuto notevol mente, trainato dalla crescente domanda di veicoli elettrici e soluzioni per lo stoccaggio di energia. Quest’ espansione sta costringendo i produttori a ridurre i costi e a garantire prodotti di una qualità sempre migliore. Una soluzione promettente è rappresentata dal digital twin, che consente di progettare, simulare, e ottimizzare una linea di produzione in un ambiente virtuale. In primo luogo, è stata progettata in Autodesk Inventor una macchina, denominata ZFS-TWTM, che integra sia l’impilamento degli elettrodi che la saldatura dei tabs, tenendo conto di vincoli di natura meccanica, operativa e spaziale. La prima bozza è stata successivamente poi convalidata in Inventor, garantendo il rispetto di tutti i vincoli e il raggiungimento degli obiettivi prefissati. Grazie a queste due fasi, è stato completato il design finale della ZFS-TWTM, una macchina in grado di miglio rare il flusso di lavoro e ridurre i tempi ciclo complessivi, eliminando la movimentazione manuale. Successivamente, la macchina è stata integrata in una linea di assemblaggio per LIBs, costruita in Tecnomatix Plant Simulation, un software di simulazione a eventi discreti (DES). Il modello virtuale, contenente macchine ed equipaggiamenti modellati con dati provenienti dal mondo fisico, è stato utilizzato per simulare le operazioni della linea. I risultati della simulazione hanno permesso di ottimizzare la linea, individuando e risolvendo i colli di bottiglia e rimuovendo macchinari in eccesso. La simulazione è stata utilizzata anche come strumento per l’ottimizazzione del numero di operatori e della ca pacità dei buffer. Il digital twin si è dimostrato uno strumento particolarmente efficace, agevolando l’integrazione della nuova macchina nella linea di assemblaggio e ottimiz zando le prestazioni della linea stessa. Infine, è stato creato un layout meccanico della linea finale, utilizzando nuovamente Inventor. Particolare attenzione è stata dedicata alla progettazione di una connessione automatica tra la stazione di taglio e la ZFS-TWTM. L’aggiunta di due nastri trasportatori ha ridotto la necessità di lavoro manuale, minimiz zando la possibilità di errore umano e riducendo il tempo ciclo della linea.