Mini Environment에서의 배터리 셀 생산: 건조실에서의 유연한 자동화

전기 자동차에서부터 통신 및 의료 기술, 스마트 도구 및 가전제품에 이르기까지: 산업계에서는 점점 더 많은 배터리 셀이 필요합니다. 하지만 기가팩토리에서에서는 엄청난 양의 에너지가 소모됩니다. 게다가 대규모 생산라인은 매우 유연하지 않습니다. 가능한 대안이 KIT의 wbk 생산기술 연구소에서 성공적으로 테스트되었습니다. 방법: Mini Environment에서의 프로세스 인클로저. 핵심적 역할 중 하나: KUKA의 로봇.

배터리 셀 생산의 미래: 에너지 효율적인 클린룸 및 건조실

카를스루에 공과대학(KIT)의 wbk 생산기술연구소에서는 이미 미래지향적인 배터리 생산을 체험할 수 있습니다. 연구자들은 AgiloBat 프로젝트의 일환으로 리튬 이온 배터리용 고속 셀 생산 시설을 구축하여 배터리의 유연성과 효율성을 더욱 향상시켰습니다: 로봇 기반 Mini Environment 자동화의 도움으로 이전에는 제조업에서만 가능했던 수준의 유연성을 달성할 수 있었습니다.

적응형 프로세스와 프로그램 변경을 통해 복잡한 시스템 변환 없이도 건조실에서 다양한 셀 형상을 생산할 수 있습니다. 이러한 목적을 위해 연구진은 구조와 디자인 측면에서 세계 최초의 특수 로봇 셀을 개발했습니다. 이 제품은 Exyte 그룹의 회사인 Exentec Germany GmbH에서 설계 및 제작되었습니다. 슈투트가르트에 본사를 둔 국제적인 빌딩 서비스 및 플랜트 엔지니어링 기업인 Exyte는 반도체 및 배터리 공장, 데이터 센터, 생물제약 산업을 위한 시설을 포함한 첨단 산업을 위한 지속 가능하고 매우 깨끗한 제조 시설을 설계, 계획 및 제공합니다. Exentec의 주요 초점 중 하나는 클린룸 및 건조실입니다. Exentec의 배터리 기술 책임자인 Nicole Neub의 말을 빌리자면 다음과 같습니다: “우리는 배터리 제조 공정에 필요한 건조 공기 를 담당합니다.”

Mini Environment의 모든 프로세스 단계

잘 알려진 바와 같이, 배터리 셀 생산에 사용되는 주변 공기는 습도가 매우 낮아야 합니다. 팩트 정리: 민감한 배터리 소재를 가공하는 동안 산화나 습기가 끼는 것을 방지하기 위해 상대 습도는 일반적으로 1% 미만입니다. 이보다 더 높으면 나중에 품질 문제가 발생하거나 심지어 배터리가 심각하게 고장날 수 있습니다.

필요한 건조도는 이른바 Mini Environment에서 생성됩니다. 니콜 노이브는 “이 공정에서는 개별 생산 공정 단계와 관련 기계가 폐쇄되고 여과된 공기가 공정에 직접 공급된다”고 설명합니다. “즉, 기계에만 깨끗하고 건조한 공기가 공급되고 생산 홀에는 사용되지 않는 큰 공간이 없습니다.” 배터리 셀의 산업적 대량 생산에서는 전체 생산 구역이 일반적으로 건조실로 운영되는데, 이는 개별 공정에는 필요하지 않으며 많은 양의 에너지가 필요합니다.

매우 건조한 공기: 프로세스 인클로저를 사용하면 가능합니다

AgiloBat 프로젝트에서는 이 작업이 최대 -50°C의 이슬점을 유지하는 컨테이너와 같은 상자를 사용하여 수행됩니다. KIT 생산공학 연구소의 wbk AgiloBat 프로젝트 기술 책임자인 세바스찬 헨셸은 “이것은 생산 환경의 온도와는 아무런 관련이 없다”고 설명합니다. 오히려 이슬점은 수분이 응축되기 위해 공기가 냉각되어야 하는 온도를 나타냅니다. 즉, 이슬점이 낮을수록 공기는 더 건조해집니다. 헨셸은 “이슬점이 -50°C일 때 부피 기준으로 공기 분자 100만 개당 물 분자는 100개 미만이다”고 설명합니다. “그것은 상대 습도가 1%보다 훨씬 낮다는 것을 의미합니다.”

KUKA 로봇의 도움으로 우리는 산업 수준의 정밀성을 달성했으며, 수동 생산에서만 얻을 수 있었던 유연성도 확보했습니다.

KIT의 AgiloBat 기술 책임자인 Sebastian Henschel

혁신적인 자동화 덕분에 사람들은 프로세스에서 분리됩니다

결정적 요소는 직원입니다: 헨셸은 “인간은 80%가 물로 이루어져 있는데, 이는 이러한 과정에 전혀 도움이 되지 않는다”고 말합니다. 니콜 노이브는 “완전히 휴식을 취하고 있을 때조차도 우리는 매시간 최소 120g의 순수한 수분을 호흡한다”고 덧붙였습니다. “이러한 수분량은 -50°C와 같은 안정적인 이슬점에 상당히 부정적인 영향을 미칩니다.” 생산 환경을 정말 건조하게 만들기 위해서는 사람들이 최대한 생산 환경에 접근하지 못하도록 해야 합니다. 이것이 바로 Exentec의 접근 방식입니다: Nicole Neub는 “우리의 Mini Environment에서는 사람을 프로세스에서 분리하는 것이 꾸준히 이루어지고 있습니다. 즉, 사람을 고립시키는 것”이라고 설명합니다. “물론, 이는 완전 자동으로 실행될 때만 가능합니다.” 여기서 KUKA 로봇이 등장합니다.

두 대의 KR SCARA와 KR CYBERTECH nano는 극도의 효율성과 정밀성으로 Mini Environment에서 함께 작동합니다.

수많은 성공적인 고객 프로젝트가 KUKA를 대변합니다

AgiloBat 프레임워크 내에서 4대의 KR CYBERTECH nano, 1대의 KR 4 AGILUS 및 셀 스태킹을 위해 2대의 KR SCARA가 사용되고 있으며 프로젝트 관리자들은 완전히 만족하고 있습니다. KUKA 사업 개발 관리자 토마스 슈미트버거는 “배터리 셀 제조업체들은 직원들에 의한 환경 오염을 줄이고 생산 품질을 높이기 위해 수년간 건조실에서 KUKA 로봇을 대량으로 사용해 왔다”고 말했습니다. KUKA는 건조한 실내 환경에 대한 기술적 요구 사항과 관련하여 배터리 제조업체와 얼마 동안 접촉해 왔습니다. “성공적으로 진행된 다수의 당사 프로젝트를 통해 우리는 건조실에 있는 당사 제품에 적용되는 요구조건에 대해 완벽하게 파악하고 있으며 선도적인 산업 전문가들과의 지속적인 협업을 통해 성공적으로 분석하고 있다“고 슈미트버거 팀장은 설명합니다. 선도적인 로봇 제조업체인 KUKA는 자사 로봇이 건조실에서 사용될 수 있도록 인증을 받기 위해 노력하고 있습니다.

KUKA 로봇은 건조실의 특수 과제를 능숙하게 처리합니다

건조한 방에서 사용하는 것은 로봇에게 특별한 도전과제를 안겨주기 때문입니다. 습도가 매우 낮으면 더 강한 마모가 발생할 수 있습니다. 이는 특히 가소제를 함유한 재료(예: 실링 또는 케이블 연결부)에 적용됩니다: 건조한 방에서 오랫동안 사용하면 더 빨리 기공이 생길 수 있으며, 최악의 경우 깨질 수도 있습니다.

하지만 예를 들어 윤활 그리스는 수분 성분을 낮아지면 기능을 잃을 수도 있습니다. 특별한 도전과제 - KUKA가 고려하는 사항: 2020년부터 아우크스부르크의 자동화 전문가들은 배터리 셀 생산에 사용되는 로봇 10,000대 이상을 운용하여 경험을 쌓았으며, 이 중 1,000대 이상은 건조실 애플리케이션에 사용됩니다. 고객 반응은 꾸준히 긍정적입니다.

배터리 셀 제조업체는 수년간 건조실에서 KUKA 로봇을 사용하여 환경 오염을 줄이고 생산 품질을 높여왔습니다.

KUKA 사업 개발 관리자 Thomas Schmidberger

반복성과 정확성이 유연성을 만납니다

그러나 자동화를 활용한 Mini Environment에서의 생산은 배터리 셀 생산뿐만 아니라 다른 많은 산업에도 흥미로운 일입니다: Exentec의 Nicole Neub는 “이 주제는 반도체 부문뿐만 아니라 제약 산업에도 필수적”이라고 보고했습니다. KUKA의 광범위한 제품 범위의 장점이 가장 잘 드러나는 부분은 다음과 같습니다: 로봇은 그 다재다능성 및 유연성으로 완전히 다른 적용분야, 제품, 환경에 사용할 수 있습니다.

KIT의 프로젝트에서도 이것이 입증되었습니다: AgiloBat의 기술 책임자인 세바스찬 헨셸은 “우리는 다양한 생산 모듈을 통해 다양한 프로세스 단계를 매핑하고 이를 서로 연결하여 최고의 유연성을 구비한 시스템을 구축하기를 원한다”고 설명합니다. “KUKA 로봇은 이런 면에서 절대적으로 효과적이라는 것을 입증했습니다. 동사의 도움으로 우리는 산업적 반복성과 정확성을 달성했으며, 이는 수작업 제조에서만 얻을 수 있는 유연성과 결합되었습니다.”

중소기업에도 매력적인 생산 솔루션

이러한 기능은 특히 중소기업에 매력적입니다. AgiloBat의 KIT 팀이 중소 규모 기계 및 플랜트 엔지니어링 회사와 협력해 온 것은 우연이 아닙니다. Mini Environment과 자동화를 통해 건조실 관련 생산 환경 내의 중요 공정 체인을 따라 경쟁력 있는 플랜트 기술을 제공할 수 있습니다. AgiloBat의 연구 결과를 바탕으로 배터리 셀을 유연하게 제조하고 소량의 재료로 산업적 규모 생산을 통해 새로운 소재 시스템을 테스트할 수 있게 되었습니다. 토마스 슈미트버거는 “마지막으로, 배터리 생산의 이러한 화학적 공정 단계에는 중요한 물질이 사용된다는 사실을 잊지 말아야 한다”고 말했습니다. “로봇 기반 자동화와 Mini Environment을 결합하면 직원의 건강도 보호할 수 있습니다.”

모든 KUKA 구성품과 마찬가지로 KR CYBERTECH nano도 AgiloBat 프로젝트의 요구 사항을 충족하여 연구원들의 완전한 만족을 얻었습니다.

Mini Environment 및 이를 통한 작업자와 프로세스의 일관된 분리를 통해 운영 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

Exentec의 배터리 기술 책임자 Nicole Neub

운영 비용 및 리소스에서 상당한 절감

무엇보다도 AgiloBat에서 사용하는 생산 공정은 두 가지 측면에서 상당한 자원을 절약할 수 있습니다: 한편으로는 기존 생산 방식보다 훨씬 적은 에너지가 필요합니다. “기가팩토리에서는 총 에너지 요구량의 25~40%가 건조한 실내 환경을 조성하는 데 사용됩니다. 이 과정에서 우리는 건조실에 있는 모든 작업자로부터 끊임없이 들어오는 습기에 맞서 지속적인 건조 프로세스를 진행하고 있다”고 니콜 노이브는 말합니다. “Mini Environment 및 이를 통한 작업자와 프로세스의 일관된 분리를 통해 이 숫자와 운영 비용, 즉 OPEX를 크게 줄일 수 있습니다.” 이외에도 사용할 수 없는 폐기물이 크게 줄어듭니다: wbk의 세바스찬 헨셸은 “대규모 공장을 가동하는 경우에도 폐기하거나 재활용해야 하는 불량품이 15~20% 정도 있을 때가 있다”고 부언했습니다. “생산을 더 유연하게 만든다면 이 수치를 크게 줄일 수도 있습니다.” KUKA 로봇이 이를 가능하게 합니다!