Produzione di celle per batterie nel Mini Environment: automazione flessibile nella camera asciutta

Dalla mobilità elettrica, alle tecnologie di comunicazione e mediche, agli strumenti intelligenti e agli elettrodomestici: l'industria ha bisogno di un numero sempre maggiore di celle per batterie. Ma la loro produzione nelle Gigafactory consuma enormi quantità di energia. Inoltre, le grandi linee di produzione sono molto poco flessibili. Una possibile alternativa è stata sperimentata con successo presso l’Istituto di tecnologia della produzione wbk del KIT. La strada: contenimento del processo in Mini Environment. In uno dei ruoli principali: i robot di KUKA.

Il futuro della produzione di celle per batterie: camere sterili e asciutte ad alta efficienza energetica

Presso l’Istituto di tecnologia della produzione wbk dell’Istituto della Tecnologia di Karlsruhe (KIT), si può già sperimentare la produzione pionieristica di batterie. Per rendere tutto ciò più flessibile ed efficiente, i ricercatori hanno creato una produzione di celle agile per le batterie agli ioni di litio nell'ambito del progetto AgiloBat: Con l'aiuto dell'automazione robotizzata nei Mini Environment, è stato raggiunto un livello di flessibilità che prima era possibile solo nella manifattura.

Il KR 4 AGILUS in azione in una delle celle robot del KIT.

Grazie a processi e modifiche di programma personalizzabili, è possibile produrre un'ampia varietà di geometrie di celle nella camera asciutta, senza dover riattrezzare l’impianto. A tal fine, i ricercatori hanno sviluppato speciali celle robot che rappresentano una novità mondiale in termini di progettazione e costruzione. Sono state progettate e costruite da Exentec Germany GmbH, una società del Gruppo Exyte. Exyte, società internazionale di tecnologia edilizia e impiantistica con sede a Stoccarda, progetta, pianifica e fornisce impianti di produzione sostenibili e ultra-pulite per le industrie high-tech, tra cui fabbriche di semiconduttori e batterie, centri dati e impianti per l'industria biofarmaceutica. Uno dei punti focali di Exentec sono le camere sterili e asciutte. O, per dirla con le parole di Nicole Neub, direttrice del dipartimento Tecnologia delle batterie di Exentec: "Siamo responsabili dell'aria secca necessaria nel processo di produzione delle batterie."

Ogni fase del processo in un Mini Environment

È noto che l'aria ambiente nella produzione di celle per batterie deve contenere pochissima umidità. Ossia, per evitare l'ossidazione o le inclusioni di umidità durante la lavorazione dei materiali sensibili delle batterie, l'umidità relativa è solitamente inferiore all'1%. Se è superiore, può causare problemi di qualità o addirittura guasti critici alla batteria.

L'umidità relativa nelle celle robot è solitamente inferiore all'1%.

La secchezza necessaria viene prodotta nei cosiddetti Mini Environment. "Le singole fasi del processo produttivo e le relative macchine sono chiuse e l'aria filtrata viene portata direttamente al processo", spiega Nicole Neub. "Questo fornisce alla macchina solo aria pulita e secca, senza alcun grande volume inutilizzato nella sala di produzione". Nella produzione industriale di massa di celle per batterie, di solito intere aree di produzione sono gestite come camere asciutte, il che non è necessario per i singoli processi e richiede grandi quantità di energia.

Aria estremamente secca: il contenimento del processo lo rende possibile

Nel progetto AgiloBat, questo viene fatto utilizzando cassette simili a container, in cui prevale un punto di rugiada fino a -50 °C. "Non ha nulla a che vedere con la temperatura dell'ambiente di produzione", spiega il responsabile tecnico del progetto AgiloBat, Sebastian Henschel dell’Istituto di tecnologia della produzione wbk del KIT. Il punto di rugiada indica piuttosto la temperatura a cui l'aria deve essere raffreddata per far condensare l'umidità. Vale a dire: più basso è il punto di rugiada, più secca è l'aria. "Con un punto di rugiada di -50 °C, ci sono meno di 100 molecole d'acqua per ogni milione di molecole d'aria in volume", spiega Henschel. "Questo corrisponde a un'umidità relativa di gran lunga inferiore all'1%."

Con l'aiuto dei robot KUKA, abbiamo ottenuto una precisione industriale, ma con una flessibilità che altrimenti conosciamo solo nella produzione manuale.

Sebastian Henschel, direttore tecnico di AgiloBat presso il KIT

Le persone sono separate dal processo grazie all'automazione innovativa

Un fattore decisivo sono i collaboratori: "Noi esseri umani siamo composti per l'80% di acqua, il che è tutt'altro che utile in un processo come questo", spiega Henschel. "E anche quando siamo in assoluto riposo, espiriamo almeno 120 grammi di umidità pura ogni ora", aggiunge Nicole Neub. "Si tratta di quantità di umidità che hanno un impatto negativo significativo su un punto di rugiada stabile di -50°C, ad esempio." Per ottenere un ambiente di produzione veramente asciutto, è necessario tenere le persone fuori da esso il più possibile. È proprio questo l'approccio di Exentec: "Nel nostro Mini Environment, grazie al contenimento separiamo sistematicamente le persone dal processo", spiega Nicole Neub. "Naturalmente, questo è possibile solo se è completamente automatizzato." Ed è qui che entrano in gioco i robot di KUKA.

I due KR SCARA e il KR CYBERTECH nano lavorano insieme nel Mini Environment con estrema efficienza e precisione.

Numerosi progetti di successo dei clienti parlano a favore di KUKA

Nell’ambito di AgiloBat sono in uso quattro KR CYBERTECH nano, un KR 4 AGILUS e, per l'impilamento delle celle, due KR SCARA, con piena soddisfazione dei responsabili di progetto. "Il produttore di celle per batterie utilizza da anni i robot KUKA in gran numero nella camera asciutta per ridurre la contaminazione ambientale da parte dei collaboratori e aumentare la qualità della produzione", afferma Thomas Schmidberger, Business Development Manager di KUKA. Da tempo KUKA dialoga con i produttori di batterie sui loro requisiti tecnologici per gli ambienti di camera asciutta. "Conosciamo molto bene i requisiti per i nostri prodotti nella camera asciutta grazie a numerosi progetti di successo dei clienti e li analizziamo continuamente insieme ai principali esperti del settore", sottolinea Schmidberger. In qualità di produttore leader di robot, KUKA sta lavorando per certificare i robot per l'uso nella camera asciutta.

Le cellule robot sviluppate dai ricercatori del KIT sono una novità mondiale.

I robot KUKA affrontano le sfide speciali della camera asciutta

Questo perché l'uso in camera asciutta pone sfide particolari ai robot. L'umidità estremamente bassa può portare a un’usura maggiore. Questo vale in particolare per i materiali che contengono plastificanti, ad esempio guarnizioni o connessioni per cavi: L'uso prolungato nella camera asciutta può far sì che diventino più rapidamente porosi e, nel peggiore dei casi, che si rompano.

I robot di KUKA affrontano le sfide speciali della camera asciutta.

Ma anche i grassi lubrificanti, ad esempio, possono perdere la loro funzionalità a causa della perdita di componenti d'acqua. Sfide particolari di cui KUKA tiene conto: dal 2020, gli esperti di automazione di Augsburg hanno già acquisito esperienza con oltre 10.000 robot nella produzione di celle per batterie, di cui più di 1.000 in applicazioni in camera asciutta. La risposta dei clienti è costantemente positiva.

I produttori di celle per batterie utilizzano da anni i robot KUKA nella camera asciutta per ridurre la contaminazione ambientale e aumentare la qualità della produzione.

Thomas Schmidberger, Business Development Manager di KUKA

Ripetibilità e precisione incontrano la flessibilità

Tuttavia, la produzione in Mini Environment utilizzando l'automazione non è interessante solo per la produzione di celle per batterie, ma anche per molte altre industrie: "L'argomento è fondamentale nel settore dei semiconduttori, così come nell'industria farmaceutica", riferisce Nicole Neub di Exentec. È qui che si evidenziano i vantaggi dell'ampia gamma di prodotti di KUKA: grazie alla loro versatilità e flessibilità, i robot possono essere utilizzati per aree, prodotti e ambienti completamente diversi.

Il KR CYBERTECH nano può essere integrato in modo flessibile nel sistema.

Anche il progetto del KIT lo ha dimostrato: "Volevamo costruire un sistema con la massima flessibilità mappando le diverse fasi del processo utilizzando diversi moduli di produzione e poi collegandoli tra loro", spiega Sebastian Henschel, responsabile tecnico di AgiloBat. "I robot di KUKA si sono dimostrati assolutamente all'altezza della situazione. Con il loro aiuto, abbiamo ottenuto ripetibilità e precisione industriali, combinate con una flessibilità che altrimenti avremmo conosciuto solo con la produzione manuale."

Una soluzione di produzione interessante anche per le piccole e medie imprese

Queste caratteristiche sono particolarmente interessanti per le PMI; non a caso il team del KIT presso AgiloBat ha collaborato con produttori di macchine e impianti di medie dimensioni. I Mini Environment e l'automazione consentono di offrire una tecnologia degli impianti competitiva lungo la catena di processo critica all'interno di ambienti di produzione rilevanti per le camere asciutte. I risultati ottenuti da AgiloBat consentono di produrre celle per batterie in modo flessibile e di testare nuovi sistemi di materiali attraverso una produzione orientata all'industria con piccole quantità di materiale. "Infine, non dobbiamo dimenticare che queste fasi del processo chimico nella produzione delle batterie comportano la lavorazione di sostanze critiche", afferma Thomas Schmidberger. "L'automazione robotizzata insieme all'uso di Mini Environment protegge anche la salute dei collaboratori."

Come tutti i componenti KUKA, anche il KR CYBERTECH nano ha soddisfatto pienamente i requisiti del progetto AgiloBat.

I Mini Environment e la sistematica separazione di persone e processi possono ridurre significativamente i costi di gestione.

Nicole Neub, direttore della tecnologia delle batterie presso Exentec

Significativi risparmi sui costi di gestione e sulle risorse

Soprattutto, però, i processi produttivi utilizzati da AgiloBat consentono di risparmiare notevoli risorse, sotto due aspetti: in primo luogo, richiede una quantità di energia significativamente inferiore rispetto alla produzione convenzionale. "Nelle Gigafabbriche, tra il 25 e il 40 percento del fabbisogno energetico totale è rappresentato dalla sola creazione di condizioni di secchezza degli ambienti. E siamo costantemente impegnati nell'essiccazione contro il continuo apporto di umidità di ogni persona presente nella camera asciutta", spiega Nicole Neub. "I Mini Environment e quindi la separazione sistematica di persone e processi, possono ridurre significativamente questo numero e quindi anche i costi di gestione, cioè gli OPEX". In secondo luogo, il numero di scarti inutilizzabili si riduce significativamente: "Negli impianti di grandi dimensioni, anche dopo il rodaggio, a volte abbiamo il 15-20% di materiale di scarto che deve essere buttato o riciclato", calcola Sebastian Henschel di wbk. "Possiamo anche ridurre significativamente questo tasso rendendo la produzione più flessibile". I robot KUKA lo rendono possibile!