Im Forschungsfeld Prozessregelung und -auslegung beschäftigen sich die Mitarbeitenden mit übergeordneten Fragestellungen, die sich durch den Einsatz der Additiven Fertigung in Produktionssystemen ergeben. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Erfassung und Beschreibung der grundlegenden Wirkzusammenhänge bei den additiven Fertigungsprozessen unter der Anwendung von Prozessbeobachtung und -überwachung. Zudem werden die Wechselwirkungen und Interaktionen des additiven Fertigungsprozesses mit vor- und nachgelagerten Prozessen in der Prozesskette betrachtet. Dazu zählen beispielsweise die Adaption additiver Fertigungsprozesse zur Fertigung medizinischer Implantate und dämpfender Mikrostrukturen oder die Modifikation der Prozesse unter Berücksichtigung des Prozessgaseinflusses.

Forschungsfeldleitung: Lukas Melzig

Unter Ausnutzung numerischer Methoden untersuchen die Mitarbeitenden des Forschungsfeldes der digitalen Additiven Fertigung wie sich additive Fertigungsprozesse simulativ abbilden lassen. Dabei wird zum einen die anwendungsorientierte Analyse auf Bauteilebene, wie die Beherrschung des Bauteilverzugs und -versagens, adressiert. Zum anderen werden Mechanismen auf der Meso- und Mikro-Ebene untersucht – darunter die Entstehung von Schrumpflinien oder die Ausbildung der Gefügestruktur. Außerdem beschäftigen sich die Mitarbeitenden des Forschungsfeldes mit der effizienten Prädiktion des Bauteilstrukturverhaltens. Dabei soll das Design von Additiv-Bauteilen prozessorientiert verbessert werden. In einem weiteren Themenfeld wird die Topologieoptimierung zur Bewertung der Bauteilqualität (Kraftfluss, Massenoptimierung) verwendet.

Forschungsfeldleitung: Kai-Uwe Beuerlein

Die Performance von Batteriezellen hängt nicht nur von den verwendeten Materialien, sondern auch maßgeblich von der Beschaffenheit der Elektroden ab. Jedes Elektrodenmaterial bedarf einer Neuauslegung der Herstellungsprozesse, weshalb ein vertieftes Verständnis über diese notwendig ist.

Im Forschungsfeld Elektrodendesign und -herstellung beschäftigen sich die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter intensiv mit neuen Elektrodendesigns (von Slurry-Rezepturen bis zu Elektrodenstrukturen) und der Verarbeitung neuartiger Elektrodenmaterialien. Kathodenseitig stehen vor allem kobaltarme Materialien auf NMC-, NCA-Basis sowie prälithiierte manganreiche Hochvoltspinelle im Fokus der Forschung. Für Anodenmaterialien liegt der Forschungsschwerpunkt auf Silizium-Kompositen und der Prälithiierung von Anoden.

Neben der Materialforschung und Forschung an Elektroden-Slurrys beschäftigt sich das iwb zudem mit der Auslegung von Elektroden- und Zelldesigns. Im Fokus stehen hier sowohl künstlich erzeugte Elektrodenstrukturen durch mechanische Strukturierungsverfahren und Laserstrukturierung, als auch natürlich erzeugte Strukturen durch den Einsatz unterschiedlicher Porositäten innerhalb der Elektrodenschichten.

Die innerhalb der Themengruppe Batterieproduktion betrachteten Prozesse reichen vom pulverförmigen Aktivmaterial bis zur fertigen Elektrode und umfassen das Mischen und Dispergieren, das Beschichten und Trocknen sowie das Kalandrieren und Laserstrukturieren der Elektroden.

Forschungsfeldleitung: Elena Jaimez Farnham

Das Forschungsfeld Prozessketten und digitale Produktion fokussiert sich auf das Zusammenspiel aller Prozesse entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Materialintegration bis zur skalierbaren, digitalisierten Produktion.

Im Zentrum steht die Frage, wie sich innovative Zellkonzepte effizient in industrielle Prozessketten überführen lassen. Im Bereich der Skalierung werden hierfür die Drop-in-Fähigkeit von Natrium-Ionen-Batterien, die Hochskalierung der Festkörperbatterie sowie Strategien zur Prälithiierung ganzheitlich betrachtet. Hierbei wird stets der Blick auf ihre Integration in bestehende und zukünftige Produktionslinien gerichtet. Die Datenkompetenz verbindet sämtliche Prozessschritte miteinander: Durch durchgängiges Zelltesten, Tracking & Tracing und die Digitalisierung der Produktionslinie entstehen konsistente Datenräume, die eine prozessübergreifende Analyse, Steuerung und Verbesserung ermöglichen. Gleichzeitig leisten datenbasierte Ansätze einen entscheidenden Beitrag zur Qualitätssicherung und Ausschussreduzierung, indem Abweichungen frühzeitig erkannt und Prozesse in Echtzeit stabilisiert werden. So wird die Grundlage für eine intelligente, adaptive, und ausschussreduzierte Produktion geschaffen. Ergänzend adressiert das Forschungsfeld die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit auf Systemebene. Kostenmodellierungen und Benchmarking gegenüber industriell gefertigten Lithium-Ionen-Batterien erlauben eine fundierte Bewertung kompletter Prozessketten und nicht nur einzelner Schritte. 

Die Forschung wird durch die einzigartige Infrastruktur des iwb ermöglicht: Eine moderne, digitalisierte Pilot-Produktionslinie unter Trockenraumatmosphäre für verschiedene Zellchemien sowie eine spezialisierte Linie unter Inertgasbedingungen für Festkörperbatterien bilden die Grundlage, um komplette Prozessketten realitätsnah abzubilden und weiterzuentwickeln. Damit fungiert das Forschungsfeld Prozessketten und digitale Produktion als verbindendes Element zwischen Detailprozessverständnis und industrieller Umsetzung mit dem Ziel, ganzheitliche, skalierbare und wirtschaftliche Batteriefertigungen zu realisieren.

Forschungsfeldleitung: Johannes Schachtl

Der Wandel in der Produktion erfordert neue Ansätze für Zukunftsfähige Produktionssysteme: Wir entwickeln Methoden für Reifegradbewertung, Change Management, Arbeitsgestaltung, Transformationsstrategien und Implementierungskonzepte für Innovationen wie z.B. künstliche Intelligenz. Dabei gestalten wir Produktionssysteme, die langfristig resilient und wettbewerbsfähig sind, Innovationen integrieren und globale Herausforderungen erfolgreich meistern.

Forschungsfeldleitung: Olivia Bernhard

Wir sind davon überzeugt, dass es produzierende Unternehmen braucht, um den Wandel zur Kreislaufwirtschaft voranzutreiben. Mit unserem Forschungsfeld Kreislaufwirtschaft unterstützen wir Unternehmen bei ihren ersten Schritten in Richtung Kreislaufwirtschaft und optimieren bestehende Systeme. Dazu gehört die Forschung an Methoden und technischen Lösungen zur Gestaltung und Bewertung kreislauffähiger Produkte, zur Planung und Durchführung von End-of-Life-Prozessen wie Demontage und Remanufacturing sowie zur Gestaltung zirkulärer Fabriken und Produktionsnetzwerke. Unser interdisziplinäres Team umfasst Mitarbeitende aus den Abteilungen Nachhaltige Produktion, Produktionsmanagement und Logistik sowie Montagetechnik und Robotik.

Kontakt: circular.economy@iwb.tum.de

Wir erforschen, wie in Fabriken die zentralen energetischen Nachhaltigkeitsprinzipien (Suffizienz, Effizienz und Konsistenz) umgesetzt werden können. Dahingehend erarbeiten wir Ansätze zur Reduzierung von unnötigen Energiebedarfen, zur effizienten Bereitstellung der essenziellen Nutzenergie und zur nachhaltigen Deckung des Energiebedarfs aus regenerativen Quellen. Methodisch setzen wir auf diskrete Zeitreihenanalysen, mathematische Modellierungen und Lebenszyklusanalysen bzw. -kostenrechnungen.

Forschungsfeldleitung: Markus Wörle

Die aktuelle Forschung umfasst ein breites Spektrum laserbasierter Fertigungsverfahren, die im Forschungsfeld Laserfertigungstechnik im Fokus stehen. Ein technologischer Schwerpunkt ist dabei der Einsatz der Laserfertigungstechnik bei Energiespeicher und -wandlern. So werden in verschiedenen Projekten laserbasierte Verfahren entlang der Produktionskette von Lithium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien am iwb eingesetzt. Darüber hinaus wird der Einsatz der Laserfertigungstechnik entlang der Wasserstoffprozesskette bei Elektrolyseuren und Brennstoffzellen untersucht. Durch die Vielzahl an vorhandenen Sensorsystemen können Laserfertigungsprozesse überwacht und kontinuierlich verbessert werden.

Forschungsfeldleitung: Pawel Garkusha

Das Forschungsfeld befasst sich mit komplexen und schwer zu automatisierenden Anwendungen im Zusammenspiel mit klassischer Automatisierungstechnik wie Robotern, Steuerungen oder Planungsprozessen. Im Mittelpunkt stehen datengetriebene Methoden, die durch die Auswertung und Nutzung verfügbarer Daten fundierte Entscheidungen und optimierte Prozessabläufe ermöglichen.​ Die Zielanwendungen umfassen die Automatisierung komplexer Prozesse und Aufgaben, insbesondere in der Montage, sowie klassische Automatisierungsprozesse und Qualitätssicherungsprozesse. Im Fokus steht die Entwicklung geschlossener Systeme, innerhalb deren definierter Grenzen Prozesse automatisiert ablaufen können. Ein besonderer Schwerpunkt ist der Umgang mit Unsicherheiten in den zugrunde liegenden Daten. Darüber hinaus sollen digitale Lösungen entstehen, die auch in dynamischen Montageprozessen zuverlässig eingesetzt werden können.​

Forschungsfeldleitung: Stephan Trattnig