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Fabrication de cellules de batteries dans un mini-environnement : automatisation flexible dans une salle sèche
De l’électromobilité aux outils intelligents ou aux appareils électroménagers en passant par les technologies de communication et médicales : L’industrie a besoin de toujours plus de cellules de batteries. Mais leur production dans des gigafactories consomme d’énormes quantités d’énergie. De plus, les grandes lignes de production sont très peu flexibles. Une alternative possible vient d’être testée avec succès à l’institut des techniques de production wbk du KIT (Institut de technologie de Karlsruhe). Le moyen : confinement de processus dans des mini-environnements. Dans l’un des rôles principaux : des robots de KUKA.
L’avenir de la production de cellules de batteries : des salles blanches et sèches à efficacité énergétique élevée
À l’institut des techniques de production wbk de l’institut de technologie de Karlsruhe (KIT), il est déjà possible de découvrir la production de batteries de l’avenir. Afin de la rendre plus flexible et plus efficace, des chercheurs ont mis en place, dans le cadre du projet AgiloBat, une fabrication agile de cellules pour les batteries lithium-ion : l’automatisation robotisée dans des mini-environnements a permis d’atteindre une flexibilité qui n’était jusqu’à présent possible que dans la manufacture.
Le KR 4 AGILUS en action dans l’une des cellules robotisées du KIT.
Grâce à des processus adaptables et à des modifications de programme, il est possible de fabriquer les géométries de cellules les plus diverses dans la salle sèche, sans devoir modifier l’installation à grands frais. Pour ce faire, les chercheurs ont développé des cellules robotisées spéciales, dont la nature et la réalisation représentent une première mondiale. Elles ont été conçues et construites par Exentec Germany GmbH, une entreprise du groupe Exyte. Exyte, entreprise internationale d’immotique et de construction d’installations, basée à Stuttgart, conçoit, planifie et fournit des installations de fabrication durables et ultra-propres pour les industries High-Tech, y compris les usines de semi-conducteurs et de batteries, les centres de données ou les installations pour l’industrie biopharmaceutique. Parmi les points forts d’Exentec, on a les salles blanches et les salles sèches. Ou pour reprendre les mots de Nicole Neub, directrice du département de technologie des batteries chez Exentec : « Nous sommes responsables de l’air sec nécessairelors du processus de fabrication des batteries. »
Découvrez dans cette vidéo comment le confinement de processus dans un mini-environnement fonctionne dans la pratique.
Chaque étape du processus dans un mini-environnement
Comme chacun sait, l’air ambiant dans la production de cellules de batteries ne doit contenir que très peu d’humidité. Plus précisément, afin d’éviter toute oxydation ou pénétration d’humidité lors du traitement des matériaux sensibles de la batterie, l’humidité relative est généralement inférieure à 1 pour cent. En effet, si elle est plus élevée, cela peut entraîner plus tard des problèmes de qualité, voire des défaillances critiques des batteries.
L’humidité relative dans les cellules robotisées est généralement inférieure à 1 pour cent.
La sécheresse nécessaire est produite dans ce que l’on appelle des mini-environnements. « Il s’agit de confiner certaines étapes du processus de production et les machines correspondantes et d’amener l’air filtré directement au processus », explique Nicole Neub. « Ainsi, seule la machine est alimentée en air propre et sec et il n’y a pas de grand volume inutilisé dans le hall de production. » Dans la production industrielle de masse de cellules de batteries, des surfaces de production entières sont généralement exploitées en tant que salle sèche, ce qui n’est pas nécessaire pour des processus individuels et nécessite de grandes quantités d’énergie.
Air extrêmement sec : rendu possible grâce confinement de processus
Dans le cadre du projet AgiloBat, cela se fait par le biais de boîtes de type conteneur, dans lesquelles règne un point de rosée pouvant aller jusqu’à -50 °C. « Cela n’a rien à voir avec la température de l’environnement de production », explique le responsable technique du projet AgiloBat, Sebastian Henschel, de l’institut des techniques de production wbk du KIT. Le point de rosée indique plutôt la température à laquelle l’air doit être refroidi pour que l’humidité se condense. C’est-à-dire que plus le point de rosée est bas, plus l’air est sec. « À un point de rosée de -50 °C, il y a moins de 100 molécules d’eau par million de molécules d’air en volume », précise M. Henschel. « Cela correspond à une humidité relative de l’air bien inférieure à un pour cent. »
Les robots de KUKA nous ont permis d’atteindre une précision industrielle, avec une flexibilité que nous ne connaissons normalement que dans la fabrication manuelle.
La personne est séparée du processus grâce à une automatisation innovante
Les collaborateurs sont ici un facteur décisif : « Nous, les humains, sommes composés à 80 pour cent d’eau, ce qui est tout sauf utile dans un tel processus », explique M. Henschel. « Même lorsque nous sommes au repos absolu, nous expirons au moins 120 grammes d’humidité pure par heure », ajoute Nicole Neub. « Ce sont des quantités d’humidité qui ont une influence négative considérable sur un point de rosée stable de -50 °C, par exemple. » Pour que l’environnement de production soit vraiment sec, il faut donc, selon elle, en tenir les personnes le plus à l’écart possible. C’est précisément l’approche d’Exentec : « Dans notre mini-environnement, nous séparonssystématiquement la personne du processus, grâce au confinement », explique Nicole Neub. « Bien sûr, cela n’est possible que si celui-ci est entièrement automatisé. » Et c’est là que les robots de KUKA entrent en jeu.
Les deux KR SCARA et le KR CYBERTECH nano travaillent ensemble dans le mini-environnement avec une efficacité et une précision extrêmes.
De nombreux projets de clients réussis parlent en faveur de KUKA
Dans le cadre d’AgiloBat, quatre KR CYBERTECH nano, un KR 4 AGILUS ainsi que, pour l’empilage des cellules, deux KR SCARA sont utilisés, à l’entière satisfaction des responsables du projet. « Les fabricants de cellules de batteries utilisent depuis des années des robots KUKA en grand nombre dans la salle sèche afin de réduire la contamination de l’environnement par les collaborateurs et d’augmenter la qualité de la production », explique Thomas Schmidberger, Business Development Manager chez KUKA. Chez KUKA, on échange depuis un certain temps avec des producteurs de batteries concernant leurs exigences technologiques en matière d’environnements secs. « Nous connaissons parfaitement les exigences auxqulles sont soumis nos produits dans la salle sèche grâce à de nombreux projets de clients réussis et nous les analysons continuellement en collaboration avec des experts industriels de premier plan », souligne M. Schmidberger. En tant que leader parmi les fabricant de robots, KUKA travaille à la certification de ses robots pour l’application en salle sèche.
Les cellules robotisées développées par les chercheurs du KIT constituent une première mondiale.
Les robots de KUKA relèvent les défis particuliers dans la salle sèche
En effet, l’utilisation en salle sèche implique pour les robots des défis particuliers. Ainsi, le taux d’humidité extrêmement bas peut entraîner une usure plus importante. Cela vaut surtout pour les matériaux qui contiennent des plastifiants, les joints ou connexions de câbles, par exemple : en cas d’utilisation prolongée dans une salle sèche, ils peuvent devenir plus rapidement poreux, voire se casser dans le pire des cas.
Les robots de KUKA maîtrisent les défis particuliers dans la salle sèche.
Les graisses, par exemple, peuvent également perdre de leur efficacité en raison de la perte de composants aqueux. Des défis particuliers qui sont pris en compte chez KUKA : depuis 2020, les experts en automatisation d’Augsbourg ont déjà pu acquérir de l’expérience avec plus de 10 000 robots dans la production de cellules de batteries, dont plus de 1 000 dans des applications en salle sèche. Le feedback de la clientèle est tout à fait positif.
Les fabricants de cellules de batteries utilisent depuis des années des robots KUKA en salle sèche afin de réduire la contamination de l’environnement et d’améliorer la qualité de la production.
Répétabilité et précision vont de pair avec flexibilité
Mais la production dans des mini-environnements au moyen de l’automatisation n’est pas seulement intéressante pour la production de cellules de batteries, mais également pour de nombreux autres secteurs : « Dans le secteur des semi-conducteurs, le sujet est essentiel, tout comme dans l’industrie pharmaceutique », rapporte Nicole Neub d’Exentec. C’est ici que les avantages de la large gamme de produits de KUKA pourront être pleinement exploités : grâce à leur polyvalence et leur flexibilité, les robots peuvent être utilisés dans des domaines, des produits et des environnements totalement différents.
Le KR CYBERTECH nano s’intègre de manière flexible dans le système.
Le projet du KIT l’a également prouvé : « Nous voulions mettre en place un système d’une flexibilité maximale en reproduisant différentes étapes de processus par différents modules de production et en les reliant ensuite entre eux », raconte Sebastian Henschel, directeur technique d’AgiloBat. « Dans ce contexte, les robots de KUKA ont absolument fait leurs preuves. Avec leur aide, nous avons atteint répétabilité et précision industrielles, associées à une flexibilité, que nous ne connaissons normalement que dans la fabrication manuelle. »
Une possibilité de production attrayante également pour les petites et moyennes entreprises
Ces caractéristiques sont particulièrement attractives pour les PME. Ce n’est pas un hasard si l’équipe du KIT a collaboré avec des constructeurs de machines et d’installations de taille moyenne chez AgiloBat. Les mini-environnements et l’automatisation leur permettent d’offrir une technique d’installation compétitive tout au long de la chaîne de processus critique dans des environnements de production importants pour les salles sèches. Les connaissances acquises dans le cadre d’AgiloBat leur permettent de fabriquer de manière flexible des cellules de batteries ainsi que de tester de nouveaux systèmes de matériaux grâce à une fabrication proche de l’industrie avec de petites quantités de matériaux. « Enfin, nous ne devons pas oublier que des substances critiques sont utilisées dans ces étapes du processus chimique de fabrication des batteries », explique Thomas Schmidberger. « L’automatisation robotisée associée à l’utilisation de mini-environnements protège donc également la santé des collaborateurs. »
Comme tous les composants de KUKA, le KR CYBERTECH nano a rempli les exigences du projet AgiloBat à l’entière satisfaction des chercheurs.
Grâce aux mini-environnements et donc à la séparation systématique de la personne et du processus, les frais d’exploitation peuvent être réduits de manière significative.
Des économies substantielles en termes de frais d’exploitation et de ressources
Avant tout, les méthodes de production utilisées par AgiloBat permettent d’économiser des ressources considérables, et ce, sous deux points de vue : d’une part, on nécessite nettement moins d’énergie que pour la production traditionnelle. « Dans les gigafactories, entre 25 et 40 pour cent de la consommation totale d’énergie sont consacrés uniquement à la création de conditions de salle sèche. Et, ce faisant, nous séchons constamment contre l’apport continu d’humidité de chaque personne se trouvant dans la salle sèche », explique Nicole Neub. « Les mini-environnements et, avec eux, la séparation conséquente de la personne et du processus, permettent de réduire significativement ce chiffre et donc les frais d’exploitation, c’est-à-dire les OPEX. » Et deuxièmement, les rebuts non utilisables sont considérablement réduits : « Dans les grandes installations, même lorsqu’elles sont rodées, nous avons parfois 15 à 20 pour cent de matériaux de rebut qui doivent être jetés ou recyclés », calcule Sebastian Henschel de wbk. « Nous pouvons également réduire considérablement ce taux en flexibilisant la production. » Les robots de KUKA ont rendu cela possible !
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