Dr.-Ing.

Baum, Christoph

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  • Publication
    Digital Twins in Battery Cell Production
    ( 2023-02-02)
    Krauß, Jonathan orcid-logo
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    Kreppein, Alexander
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    Pouls, Kevin Bernard
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    Ackermann, Thomas orcid-logo
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    Fitzner, Antje orcid-logo
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    Kies, Alexander
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    Abramowski, Johann-Philip
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    Hülsmann, Tom orcid-logo
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    Roth, David
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    Schmetz, Arno
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    Baum, Christoph
    A digital twin enables the accessibility of data, information, models, and simulations for a physical object. Therefore, digital twins become increasingly relevant for different areas of production. In particular, the production of battery cells with its high complexity could benefit from digital representations such as digital twins. Still, there is no coherent definition for digital twins in the battery cell production yet. In this paper we introduce the first concept of digital twins in battery cell production. For this we combine existing ideas for the digital twin with the characteristics of the battery cell production. The concept consists of digital twins for buildings, products, and machines or assets, which we validate based on different use cases. By this, we demonstrate the benefits that arise from the implementation of digital twins in battery cell production - from increased productivity, faster ramp-ups, to increased sustainability.
  • Publication
    The digital twin in battery cell production
    ( 2023-01-11)
    Krauß, Jonathan orcid-logo
    ;
    Schmetz, Arno
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    Fitzner, Antje orcid-logo
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    Ackermann, Thomas orcid-logo
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    Pouls, Kevin Bernard
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    Hülsmann, Tom-Hendrik
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    Roth, David
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    Gehring, Janine
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    Hamacher, Nils Christian
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    Jaspers, Wilhelm
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    Mohring, Leon
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    Rube, Natalja
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    Tübke, Jens
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    Kies, Alexander D.
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    Kreppein, Alexander
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    Abramowski, Johann-Philip
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    Schmitt, Robert H.
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    Baum, Christoph
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    Brandstetter, Alexander
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    Singh, Soumya
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    Cziasto, Dennis
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    Meyer, Olga
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    Kornely, Mia J. K.
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    Kraus, Sander
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    Niemietz, Philipp
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    Bergs, Thomas
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    Kampker, Achim
    The concept of the digital twin as the representation of a physical object is currently under development and is delivering promising first results. At the same time, the goals and the definition of digital twins differ, sometimes significantly, depending on the area of application and use case. Therefore, the descriptions and concepts of digital twins in a specific application cannot simply be transferred to new fields of application. Meanwhile, battery cell manufacturing is a key of the energy and mobility transition that is still characterized by high costs as well as scrap rates and will benefit enormously from the use of digital twins. To provide a basis for the development of digital twins in battery cell manufacturing, this white paper presents a unified definition for the digital twin in battery cell manufacturing, based on existing work. For this purpose, three forms of the digital twin are described: the building twin, the machine twin, and the product twin. Each of these forms must be examined in detail so that components of the respective forms can be identified, exemplary use cases can be shown, and concrete goals as well as challenges can be defined. Based on the concepts described in this white paper, the digital twin will be used in battery cell production to track, optimize, and control products and processes in the future. In perspective, this can significantly improve energy, raw material, and cost efficiency.
  • Publication
    Der Digitale Zwilling in der Batteriezellfertigung
    ( 2023-01-10)
    Krauß, Jonathan orcid-logo
    ;
    Schmetz, Arno
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    Fitzner, Antje orcid-logo
    ;
    Ackermann, Thomas orcid-logo
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    Pouls, Kevin Bernard
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    Hülsmann, Tom-Hendrik
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    Roth, David
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    Gehring, Janine
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    Hamacher, Nils Christian
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    Jaspers, Wilhelm
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    Mohring, Leon
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    Rube, Natalja
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    Tübke, Jens
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    Kies, Alexander D.
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    Kreppein, Alexander
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    Abramowski, Johann-Philip
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    Schmitt, Robert H.
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    Baum, Christoph
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    Brandstetter, Alexander
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    Singh, Soumya
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    Cziasto, Dennis
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    Meyer, Olga
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    Kornely, Mia J.K.
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    Kraus, Sander
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    Niemietz, Philipp
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    Bergs, Thomas
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    Kampker, Achim
    Das Konzept des Digitalen Zwillings als Abbild eines physischen Gegenstücks befindet sich zurzeit in der Entwicklung und liefert erste vielversprechende Ergebnisse. Gleichzeitig unterscheiden sich die Ziele und die Definition Digitaler Zwillinge abhängig von Anwendungsbereich und Anwendungsfall teils deutlich voneinander. Die Beschreibungen und Konzepte Digitaler Zwillinge einer konkreten Anwendung lassen sich deshalb nicht einfach auf neue Anwendungsfelder übertragen. Unterdessen ist die Batteriezellfertigung eine Schlüsseltechnologie der Energie- und Mobilitätswende, die noch immer von hohen Kosten sowie Ausschussraten geprägt ist und enorm vom Einsatz Digitaler Zwillinge profitieren wird. Um eine Grundlage für die Entwicklung Digitaler Zwillinge in der Batteriezellfertigung zu schaffen, zeigt dieses Whitepaper, basierend auf bestehenden Arbeiten, eine einheitliche Definition für den Digitalen Zwilling in der Batteriezellfertigung auf. Dafür wurden drei Ausprägungen des Digitalen Zwillings identifiziert: der Gebäudezwilling, der Anlagenzwilling und der Produktzwilling. Jede dieser Ausprägungen gilt es im Detail zu betrachten, sodass Bestandteile der jeweiligen Ausprägungsformen identifiziert, exemplarische Anwendungsfälle aufgezeigt und konkrete Ziele und Herausforderungen definiert werden können. Basierend auf den in diesem Whitepaper beschriebenen Konzepten dient der Digitale Zwilling in der Batteriezellfertigung zukünftig zur Nachverfolgung, Optimierung und Steuerung von Produkten und Prozessen. Dies kann perspektivisch die Energie-, Rohstoff- und Kosteneffizienz in diesem wichtigen Zukunftsbereich deutlich verbessern.
  • Publication
    In Vitro Simulated Neuronal Environmental Conditions Qualify Umbilical Cord Derived Highly Potent Stem Cells for Neuronal Differentiation
    ( 2023)
    Maassen, Jessika
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    Guenther, Rebecca
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    Hondrich, Timm J.J.
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    Cepkenovic, Bogdana
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    Brinkmann, Dominik
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    Maybeck, Vanessa
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    Offenhäusser, Andreas A.
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    Dittrich, Barbara
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    Müller, Anna
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    Skazik-Voogt, Claudia
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    Kosel, Maximilian
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    Baum, Christoph
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    Gutermuth, Angela
    The healing of neuronal injuries is still an unachieved goal. Medicine-based therapies can only extend the survival of patients, but not finally lead to a healing process. Currently, a variety of stem cell-based tissue engineering developments are the subject of many research projects to bridge this gap. As yet, neuronal differentiation of induced pluripotent stem cells (iPS), embryonic cell lines, or neuronal stem cells could be accomplished and produce functional neuronally differentiated cells. However, clinical application of cells from these sources is hampered by ethical considerations. To overcome these hurdles numerous studies investigated the potential of adult mesenchymal stem cells (MSCs) as a potential stem cell source. Adult MSCs have been approved as cellular therapeutical products due to their regenerative potential and immunomodulatory properties. Only a few of these studies could demonstrate the capacity to differentiate MSCs into active firing neuron like cells. With this study we investigated the potential of Wharton’s Jelly (WJ) derived stem cells and focused on the intrinsic pluripotent stem cell pool and their potential to differentiate into active neurons. With a comprehensive neuronal differentiation protocol comprised of mechanical and biochemical inductive cues, we investigated the capacity of spontaneously forming stem cell spheroids (SCS) from cultured WJ stromal cells in regard to their neuronal differentiation potential and compared them to undifferentiated spheroids or adherent MSCs. Spontaneously formed SCSs show pluripotent and neuroectodermal lineage markers, meeting the pre-condition for neuronal differentiation and contain a higher amount of cells which can be differentiated into cells whose functional phenotypes in calcium and voltage responsive electrical activity are similar to neurons. In conclusion we show that up-concentration of stem cells from WJ with pluripotent characteristics is a tool to generate neuronal cell replacement.
  • Publication
    Cause-Effect Relationships in Battery Cell Production - Data based validation of expert knowledge in electrode production
    ( 2023)
    Fitzner, Antje orcid-logo
    ;
    Abramowski, Johann-Philip
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    Schmetz, Arno
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    Krauß, Jonathan orcid-logo
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    Borzutzki, Kristina
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    Eckstein, Markus Christian
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    Pouls, Kevin Bernard
    ;
    Baum, Christoph
    ;
    Schmitt, Robert H.
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    Kampker, Achim
    The advancing climate change requires a shift from conventional energy sources to renewable ones, which is accompanied by the indispensability of an efficient and sustainable storage of electrical energy. The production of lithium-ion battery cells comprises an enormous complexity, as it consists of several interlinked process steps, each with different quality requirements for the (intermediate) products and the processes itself. This complexity means that a supposedly insignificant process parameter can lead to errors and deviations in the manufactured products via complex cause-effect relationships, that are not fully known. The missing knowledge of the processes and inter-process interdependencies lead to difficulties in the setup of a suitable quality assurance in battery cell production to reduce scrap rates. Beside these potentials in planning and optimizing the process chain of the battery cell factory of tomorrow are impeded.We developed a method to build up a relevant knowledge base on cause-effect relationships for battery cell production. Expert knowledge based on experience and intuition has been collected and quantitative cause-effect relationships are established. This knowledge is used to set up the initial data acquisition, ensuring relevant data being available for analysis. Afterwards, the data analysis, that validates and extends this expert knowledge, is defined. This approach is applied to real-world use-cases including machinery and laboratory equipment in battery cell production. The electrode production is selected as the basis for validation. The found inter-relationships either validate the qualitative expert knowledge, contradict this prior knowledge or else add new insights about the battery cell electrode production process that have not been considered in the qualitative expert knowledge. Methods used include correlations and a predictive power score for non-linear interdependencies. The cause-effect relationships are constantly updated by automatically analyzing the production data of the digital factory. These identified and validated cause effect relationships allow the planning of efficient and sustainable battery cell production and data-based process chain optimization.
  • Publication
    Mobilität und Produktion nachhaltiger gestalten
    ( 2022-06-01)
    Baum, Christoph
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    Hamm, Carolin
    Die neue Mobilität ist elektrisch - doch ihre Produktionsprozesse sind mit hohem Energieaufwand und Einsatz natürlicher Ressourcen verbunden. Wie können Unternehmen die Fertigungsprozesse umweltfreundlicher gestalten? Ein Handlungskonzept zeigt, wie Hersteller, Zulieferer und Dienstleister im Mobilitätssektor in fünf Schritten den Weg zu mehr Nachhaltigkeit finden können.
  • Publication
    Produktion der PEM-Systeme, Hochskalierung, Rollout-Konzept
    ( 2022)
    Beyer, Ulrike
    ;
    Porstmann, Sebastian
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    Baum, Christoph
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    Müller, Clemens
    Brennstoffzellen können künftig für eine substanzielle CO2-Reduzierung im Verkehrsbereich sorgen. Auch wenn einzelne Produkte bereits jetzt verfügbar sind bzw. aus technischer Sicht kurz vor der Marktreife stehen, muss es zügig gelingen, eine Kostenparität mit den fossilen Antriebssystemen zu realisieren. Teure Werkstoffe und eine manuelle Fertigung verhindern derzeit noch eine wirtschaftliche Produktion. Für eine Großserienfertigung in der Höhe von mehreren hunderttausend produzierten Einheiten pro Jahr fehlen aktuell hochratenfähige Technologien, die eine Skalierung der Fertigung bis zur industriellen Massenproduktion ermöglichen. Die dazu nötigen Fertigungsverfahren werden in dem Beitrag dargestellt und mit einem Rollout-Konzept verbunden.
  • Publication
    Der digitale Zwilling in der Batteriezellfertigung
    ( 2021-06-21)
    Kies, Alexander
    ;
    Krauß, Jonathan orcid-logo
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    Schmetz, Arno
    ;
    Baum, Christoph
    ;
    Schmitt, Robert H.
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    Brecher, Christian
    Der digitale Zwilling birgt große Potenziale hinsichtlich der Qualitätssteigerung in der Produktion. Die Implementierung eines solchen ist jedoch in hohem Maße abhängig vom spezifischen Anwendungsfall und die Übertragung theoretischer Modelle in die Praxis geht häufig mit großem Aufwand einher. In diesem Beitrag wird die Konzeptionierung eines digitalen Zwillings in der Batteriezellfertigung thematisiert und evaluiert.
  • Publication
    Traceability ermöglicht den digitalen Zwilling
    ( 2021-01-27)
    Kies, Alexander D.
    ;
    Krauß, Jonathan orcid-logo
    ;
    Baum, Christoph
    ;
    Schmitt, Robert H.
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    Brecher, Christian
    Wie kann die Qualität der Batteriezelle bereits während der Fertigung vorhergesagt und entsprechende Prozessparameter in Echtzeit angepasst werden? Dies ist eine der Fragen, die der digitale Zwilling einer Batteriezelle beantworten soll. Ein Traceability-System stellt als digitaler Faden die Aggregation der Daten über die Prozesskette sicher damit jede Batteriezelle ihr eigenes digitales Abbild erhält.