Producción de celdas de batería en un miniambiente: automatización flexible en la sala seca

Desde la electromovilidad, pasando por la tecnología médica y de comunicación, hasta las herramientas o los electrodomésticos inteligentes: La industria necesita cada vez más celdas de batería. Pero su producción en gigafábricas consume enormes cantidades de energía. Además, las grandes líneas de producción son muy poco flexibles. Ahora se ha probado con éxito una posible alternativa en el Instituto wbk de Tecnología de Producción del KIT. El enfoque es la contención de procesos en miniambientes. Los robots de KUKA interpretan uno de los papeles principales.

El futuro de la producción de celdas de batería: salas de secado y blancas eficientes energéticamente

En el Instituto wbk de Tecnología de Producción del Instituto de Tecnología de Karlsruher (KIT) ya se puede experimentar una producción de baterías pionera. Para hacer que sea más flexible y eficiente, los investigadores han desarrollado una producción de celdas ágil para baterías de iones de litio dentro del marco del proyecto AgiloBat: Con ayuda de la automatización basada en robots en miniambientes se ha conseguido una flexibilidad que hasta ahora solo era posible en la manufactura.

El KR 4 AGILUS en acción en una de las células del robot en el KIT.

Mediante procesos adaptables y modificaciones del programa se pueden producir diferentes geometrías de celdas en la sala seca, sin necesidad de reequipar la instalación de forma costosa. Para ello, los investigadores han desarrollado células de robot especiales que representan una novedad mundial en cuanto a su naturaleza y ejecución. Han sido diseñadas y construidas por Exentec Germany GmbH, una empresa del Grupo Exyte. Exyte, la empresa internacional con sede en Stuttgart dedicada a la tecnología de edificios y a la construcción de instalaciones, diseña, planifica y proporciona instalaciones de producción sostenibles y ultrapuras para las industrias de alta tecnología, incluidas las fábricas de semiconductores y de baterías, los centros de datos o las instalaciones para la industria biofarmacéutica. Uno de los enfoques principales de Exentec son las salas de secado y blancas. O en palabras de Nicole Neub, directora del departamento de tecnología de baterías de Exentec: "Somos responsables del aire seco necesario en el proceso de producción de baterías."

Cada paso del proceso en un miniambiente

Como es sabido, el aire ambiente en la producción de celdas de la batería solo contiene una cantidad de humedad del aire muy reducida. Más concretamente: Para evitar que se produzcan oxidaciones o infiltraciones de humedad durante el procesamiento de los materiales de la batería sensibles, la humedad relativa es en la mayoría de los casos inferior al 1 por ciento. Ya si es más alta, puede provocar problemas de calidad o incluso fallos críticos de las baterías.

La humedad relativa del aire en las células de robot generalmente ser inferior al 1 por ciento.

La sequedad necesaria se produce en los denominados como miniambientes. "Para ello, los pasos del proceso individuales de la producción y las máquinas correspondientes se someten a una contención y el aire filtrado se lleva directamente al proceso", explica Nicole Neub. "De este modo, realmente solo se alimenta a la máquina con aire limpio y seco, y no se alimenta un gran volumen no utilizado en la nave de producción." En la producción industrial a gran escala de celdas de batería se utilizan en su mayoría superficies de producción completas como sala seca, lo que no es necesario para los procesos individuales y requiere grandes cantidades de energía.

Aire extremadamente seco: La contención de procesos lo hace posible

En el proyecto AgiloBat, esto se realiza mediante cajas tipo contenedor, en las que se mantiene un punto de rocío de hasta -50 °C. "Esto no tiene nada que ver con la temperatura del entorno de producción", explica el director técnico del proyecto AgiloBat, Sebastian Henschel, del Instituto wbk de Tecnología de Producción del KIT. El punto de rocío indica más bien la temperatura a la que se debe enfriar el aire para que se condense la humedad. Es decir: Cuanto más bajo sea el punto de rocío, más seco será el aire. "Con un punto de rocío de -50 °C, hay menos de 100 moléculas de agua por millón de moléculas de aire en volumen", aclara Henschel. "Esto equivale a una humedad relativa del aire muy inferior al uno por ciento."

Con la ayuda de los robots de KUKA hemos conseguido una exactitud industrial, con una flexibilidad que de otro modo solo conocemos en la producción manual.

Sebastian Henschel, director técnico de AgiloBat en el KIT

Las personas se separan del proceso gracias a la automatización innovadora

Un factor decisivo para ello son los empleados: "Los seres humanos estamos compuestos en un 80 por ciento de agua, lo cual no es muy útil en un proceso como este", comenta Henschel. "E incluso si nos encontramos en calma total, respiramos al menos 120 gramos de humedad pura cada hora", añade Nicole Neub. "Estas cantidades de humedad tienen un impacto negativo considerable en un punto de rocío estable de, por ejemplo, -50°C." Por lo tanto, para que el entorno de producción esté seco correctamente, es necesario mantener a las personas fuera de dicho entorno en la medida de lo posible. Este es precisamente el enfoque de Exentec: "En nuestro miniambiente, separamos a las personas del proceso de forma consecuente mediante la contención", explica Nicole Neub. "Por supuesto, esto solo se puede hacer si esto funciona de forma totalmente automatizada." Y aquí entran en juego los robots de KUKA.

Los dos KR SCARA y el KR CYBERTECH nano colaboran en un miniambiente con la máxima eficiencia y precisión.

Numerosos proyectos de clientes exitosos hablan por KUKA

En el marco de AgiloBat se utilizan cuatro KR CYBERTECH nano, un KR 4 AGILUS y para el apilado de las celdas se utilizan dos KR SCARA para satisfacer plenamente los requisitos de los responsables del proyecto. "Los fabricantes de celdas de batería utilizan desde hace años los robots KUKA en grandes cantidades en la sala seca para reducir la contaminación ambiental causada por los empleados y aumentar así la calidad de producción", comenta Thomas Schmidberger, director de desarrollo comercial de KUKA. KUKA lleva mucho tiempo intercambiando información con los fabricantes de baterías en relación con sus requisitos tecnológicos para los entornos de sala seca. "Conocemos perfectamente los requisitos para nuestros productos en la sala seca de numerosos proyectos exitosos de clientes y estos se analizan continuamente junto con los principales expertos de la industria", analiza Schmidberger. Como fabricante de robots líder, KUKA trabaja en la certificación de los robots para su aplicación en la sala seca.

Las células de robot desarrolladas por los investigadores del KIT constituyen una novedad mundial.

Los robots de KUKA dominan los retos especiales en la sala seca

Ya que el uso en la sala seca conlleva retos especiales para los robots. De este modo, la humedad del aire extremadamente baja puede provocar un mayor desgaste. Esto se aplica especialmente para los materiales que contienen plastificantes, como por ejemplo las juntas o las conexiones de los cables: Si se utiliza durante mucho tiempo en la sala seca, pueden volverse porosos más rápidamente, incluso romperse en el peor de los casos.

No obstante, las grasas lubricantes también pueden perder su funcionalidad, porque pierden componentes del agua. Retos especiales que también se tienen en cuenta por KUKA: Desde 2020, los expertos en automatización de Augsburgo ya han podido acumular experiencias con más de 10.000 robots en la producción de celdas de batería, de los cuales más de 1.000 se han utilizado en aplicaciones en sala seca. En este caso, la respuesta de los cliente siempre es positiva.

Los fabricantes de celdas de batería utilizan desde hace años los robots KUKA en la sala seca para reducir la contaminación ambiental y aumentar la calidad de producción.

Thomas Schmidberger, director de desarrollo comercial de KUKA

La repetibilidad y la exactitud se combinan con la flexibilidad

Pero la producción en miniambientes mediante la automatización no solo es interesante para la producción de celdas de batería, sino también para muchos otros sectores: "En el sector de los semiconductores el tema es esencial, al igual que en la industria farmacéutica", informa Nicole Neub de Exentec. Aquí se aprovechan plenamente las ventajas de la amplia gama de productos de KUKA: Gracias a su versatilidad y flexibilidad, los robots pueden utilizarse en ámbitos, productos y entornos completamente diferentes.

El KR CYBERTECH nano se integra de forma flexible en el sistema.

Así lo ha demostrado también el proyecto en el KIT: "Queríamos crear un sistema con la máxima flexibilidad reproduciendo diferentes pasos del proceso mediante diferentes módulos de producción y, a continuación, conectándolos entre sí", comenta el director técnico de AgiloBat, Sebastian Henschel. "En este sentido, los robots de KUKA han demostrado absolutamente su eficacia probada. Con su ayuda hemos conseguido una repetibilidad y una exactitud industriales, combinadas con una flexibilidad que de otro modo solo conocemos en la producción manual."

Opción de producción atractiva, incluso para pequeñas y medianas empresas

Estas características son particularmente atractivas para las PYMES: no es casualidad que el equipo del KIT de AgiloBat haya colaborado con fabricantes de máquinas e instalaciones para la mediana empresa. Los miniambientes y la automatización les permiten ofrecer una técnica de instalación competitiva a lo largo de la cadena de procesos crítica dentro de entornos de producción relevantes para la sala seca. Los conocimientos obtenidos de AgiloBat les permiten producir de forma flexible las celdas de batería y probar nuevos sistemas de materiales mediante una producción casi industrial con pequeñas cantidades de materiales. "Por último, no debemos olvidar que en estos pasos del proceso químicos de la producción de baterías se trabaja con sustancias críticas", comenta Thomas Schmidberger. "Por lo tanto, la automatización basada en robots en combinación con la utilización de miniambientes protege también la salud de los empleados."

Al igual que todos los componentes de KUKA, el KR CYBERTECH nano cumplió en el proyecto AgiloBat los requisitos para asegurar la máxima satisfacción de los investigadores.

Los miniambientes y, por lo tanto, la separación consecuente entre personas y procesos, permiten reducir significativamente los costes de funcionamiento.

Nicole Neub, directora de tecnología de baterías de Exentec

Ahorro significativo de costes de funcionamiento y recursos

Sin embargo, con los procesos de producción utilizados en AgiloBat sobre todo se pueden ahorrar recursos considerables desde dos puntos de vista: Por un lado, se necesita una cantidad de energía claramente menor que en la producción convencional. "En las gigafábricas, entre el 25 y el 40 por ciento de la demanda total de energía solo se destina a producir las condiciones de la sala seca. Y para ello realizamos un secado constante para evitar la entrada de humedad continua de cada persona que se encuentra en la sala seca", comenta Nicole Neub. "Mediante los miniambientes y, por lo tanto, la separación consecuente entre las personas y el proceso, se pueden reducir significativamente esta cifra y, por lo tanto, también los costes de funcionamiento, es decir, la OPEX." Y en segundo lugar, se reducen considerablemente los productos de desecho no utilizables: "En el caso de las grandes instalaciones, incluso cuando han funcionado, se produce parcialmente entre un 15 y un 20 por ciento de material de desecho que se debe eliminar o reciclar", calcula Sebastian Henschel de wbk. "También podemos reducir considerablemente esta cuota mediante la flexibilización de la producción." Los robots de KUKA lo hacen posible.