Produkcja ogniw akumulatorowych w Mini Environment: elastyczna automatyzacja w suchych pomieszczeniach

Od e-mobilności, poprzez technologie komunikacyjne i medyczne, po inteligentne narzędzia lub urządzenia gospodarstwa domowego: Przemysł potrzebuje coraz więcej ogniw akumulatorowych. Jednak ich produkcja w gigafabrykach zużywa ogromne ilości energii. Ponadto duże linie produkcyjne są bardzo nieelastyczne. Możliwa alternatywa została pomyślnie przetestowana w instytucie wbk Institut für Produktionstechnik w KIT. Rozwiązanie: specjalna obudowa procesowa w Mini Environments. W jednej z głównych ról: roboty KUKA.

Przyszłościowa produkcja ogniw akumulatorowych: energooszczędne pomieszczenia sterylne i suche

W wbk Institut für Produktionstechnik w Instytucie Technologii w Karlsruhe (KIT) już teraz odbywa się przyszłościowa produkcja akumulatorów. Aby uczynić ją bardziej elastyczną i wydajną, w ramach projektu AgiloBat naukowcy stworzyli elastyczną celę do produkcji akumulatorów litowo-jonowych: Dzięki zrobotyzowanej automatyzacji w Mini Enivronments osiągnięto elastyczność, która do tej pory była możliwa tylko w fabryce.

KR 4 AGILUS w akcji w jednej z cel zrobotyzowanych w KIT.

Dzięki dopasowanym procesom i zmianom programowym można produkować różne geometrie modułów w suchych pomieszczeniach – bez konieczności kosztownej przebudowy instalacji. W tym celu naukowcy opracowali specjalne cele zrobotyzowane, które pod względem właściwości i wykonania są nowością na świecie. Zostały one zaprojektowane i zbudowane przez Exentec Germany GmbH, przedsiębiorstwo należące do grupy Exyte Group. Exyte to niemieckie przedsiębiorstwo z siedzibą w Stuttgarcie, specjalizujące się w technikach i instalacjach budowlanych, które projektuje, planuje i udostępnia zrównoważone oraz ultralekkie instalacje produkcyjne dla przemysłu High-Tech, taki jak m. in. fabryki półprzewodników i akumulatorów, centra danych lub instalacje dla przemysłu biofarmaceutycznego. Jednym z priorytetów firmy Exentec są pomieszczenia sterylne i suche. Cytując Nicole Neub, dyrektorkę działu technologii akumulatorów w firmie Exentec: „Jesteśmy odpowiedzialni za suche powietrze w procesie produkcji akumulatorów.”

Każdy etap procesu w Mini Environment

Wiadomo, że w przypadku produkcji ogniw akumulatorowych musi panować bardzo niska wilgotność powietrza. A dokładniej: aby podczas obróbki delikatnych materiałów akumulatorowych nie doszło do utlenienia lub przenikania wilgoci, względna wilgotność powietrza wynosi zazwyczaj mniej niż 1 procent. Jeśli będzie ona wyższa, może to spowodować późniejsze problemy z jakością, a nawet krytyczne awarie akumulatorów.

Z reguły względna wilgotność powietrza w modułach robotów wynosi mniej niż 1 procent.

Wymagane suche powietrze jest wytwarzane w tzw. Mini Environments. „Dzięki temu poszczególne etapy procesu produkcji i związane z nimi maszyny ograniczają się do jednego modułu, a filtrowane powietrze jest doprowadzane bezpośrednio do procesu” – wyjaśnia Nicole Neub. „W tym przypadku tylko maszyna jest zasilana czystym i suchym powietrzem – a to oznacza brak niewykorzystanych dużych ilości powietrza w hali produkcyjnej.” W przemysłowej produkcji masowej ogniw akumulatorowych większą część powierzchni produkcyjnych zajmuje sucha przestrzeń, która wprawdzie nie jest wykorzystywana w poszczególnych procesach, ale wymaga dużych ilości energii.

Ekstremalnie suche powietrze: dzięki specjalnej obudowie procesowej

W projekcie AgiloBat odbywa się to w kontenerowych skrzyniach, w których panuje punkt rosy do -50°C. „Nie ma on nic wspólnego z temperaturą otoczenia produkcyjnego” – wyjaśnia dyrektor techniczny projektu AgiloBat Sebastian Henschel z wbk Institut für Produktionstechnik w KIT. Zamiast tego punkt rosy wskazuje temperaturę, do której powietrze musi zostać schłodzone, aby skondensować wilgoć. Oznacza to, że: im niższy punkt rosy, tym bardziej suche powietrze. „Gdy punkt rosy wynosi -50°C, w milionie cząsteczek powietrza znajduje się mniej niż 100 cząsteczek wody” – dodaje Henschel. „Odpowiada to względnej wilgotności powietrza znacznie poniżej jednego procenta.”

Dzięki robotom KUKA osiągnęliśmy dokładność przemysłową – a także elastyczność, którą znaliśmy do tej pory tylko z produkcji ręcznej.

Sebastian Henschel, kierownik techniczny AgiloBat w KIT

Człowiek zostaje wykluczony z procesu – dzięki innowacyjnej automatyzacji

Decydującym czynnikiem okazali się pracownicy: „My, czyli ludzie składamy się w 80% z wody, co nie jest pożądane w tego typu procesach” – mówi Henschel. „Nawet jeśli jesteśmy bardzo spokojni, w ciągu godziny wydychamy co najmniej 120 g wilgotnego powietrza” – Nicole Neub. „Są to ilości wilgoci, które negatywnie wpływają na stabilny punkt rosy wynoszący przykładowo -50°C.” Aby środowisko produkcyjne było wystarczająco suche, należy w miarę możliwości wykluczyć z niego ludzi. Takie jest główne założenie firmy Exentec: „W naszym Mini Environment konsekwentnie oddzielamy ludzi od procesu za pomocą specjalnej obudowy” – wyjaśnia Nicole Neub. „Oczywiście jest to możliwe tylko wtedy, gdy wszystko jest całkowicie zautomatyzowane.” I tutaj do akcji wkraczają roboty KUKA.

Dwa roboty KR SCARA i KR CYBERTECH nano współpracują ze sobą z niezwykłą wydajnością i precyzją w Mini Environment.

Liczne udane projekty klientów przemawiają za firmą KUKA

W ramach AgiloBat stosowane są cztery roboty KR CYBERTECH nano, jeden robot KR 4 AGILUS i dwa roboty KR SCARA do układania modułów – ku zadowoleniu kierownika projektu. „Producenci ogniw akumulatorowych od lat stosują roboty KUKA w pomieszczeniach suchych, aby ograniczyć negatywny wpływ pracowników na otoczenie i zwiększyć jakość produkcji” – mówi Thomas Schmidberger, Business Development Manager w firmie KUKA. Firma KUKA od pewnego czasu współpracuje z producentami akumulatorów w zakresie spełnienia wymogów technicznych dotyczących środowisk i pomieszczeń suchych. „Wymagania względem naszych produktów w pomieszczeniach suchych są nam doskonale znane z wielu udanych projektów klientów i są na bieżąco analizowane we współpracy z wiodącymi ekspertami przemysłowymi” – podkreśla Schmidberger. Firma KUKA jako wiodący producent robotów pracuje nad certyfikacją robotów do pomieszczeń suchych.

Moduły robotów, opracowane przez badaczy z KIT, są nowością na świecie.

Roboty KUKA spełniają szczególne wymagania pomieszczeń suchych

Praca w suchym pomieszczeniu wiąże się z wieloma wyzwaniami. Panująca w nich ekstremalnie niska wilgotność powietrza może prowadzić do większego zużycia. Dotyczy to zwłaszcza materiałów zawierających zmiękczacze np. uszczelek lub połączeń kablowych: W przypadku długotrwałego stosowania w pomieszczeniu suchym mogą one szybciej stać się porowate, a w najgorszym przypadku bardziej podatne na pęknięcia.

Również smary mogą utracić swoje właściwości z powodu utraty składników na bazie wody. To właśnie te szczególne wymagania, które są brane pod uwagę przez firmę KUKA: Od 2020 roku eksperci od automatyzacji z Augsburga zbierają doświadczenia w tym obszarze dzięki wykorzystaniu ponad 10 000 robotów w produkcji modułów akumulatorowych, z których ponad 1000 pracowało w pomieszczeniach suchych. Rezultaty u klientów wypadły bardzo pozytywnie.

Producenci ogniw akumulatorowych od lat wykorzystują roboty KUKA w pomieszczeniach suchych, aby ograniczyć negatywny wpływ otoczenia i zwiększyć jakość produkcji.

Thomas Schmidberger, Business Development Manager w firmie KUKA

Powtarzalność i dokładność w połączeniu z elastycznością

Dzięki automatyzacji produkcja w Mini Environments jest nie tylko interesująca dla produkcji ogniw akumulatorowych, lecz również dla wielu innych branż: „Jest to kluczowy temat w obszarze półprzewodników, podobnie jak w przemyśle farmaceutycznym” – mówi Nicole Neub z Exentec. Pozwala on w pełni wykorzystać zalety szerokiej gamy produktów KUKA: Dzięki ich wszechstronności i elastyczności można stosować roboty do zupełnie różnych obszarów, produktów i środowisk.

KR CYBERTECH nano elastycznie dopasowuje się do systemu.

Dowodzi tego projekt KIT: „Chcieliśmy stworzyć maksymalnie elastyczny system poprzez odwzorowanie poszczególnych etapów procesu za pomocą różnych modułów produkcyjnych, a następnie połączenie ich w jedną całość” – mówi Sebastian Henschel, dyrektor techniczny AgiloBat. „Roboty KUKA doskonale sobie z tym poradziły. Dzięki nim uzyskaliśmy przemysłową powtarzalność i dokładność – w połączeniu z elastycznością, którą znaliśmy do tej pory tylko z produkcji ręcznej.”

Atrakcyjne rozwiązanie produkcyjne również dla małych i średnich przedsiębiorstw

Te cechy są szczególnie atrakcyjne dla sektora MŚP – nieprzypadkowo zespół KIT współpracował przy projekcie AgiloBat ze średniej wielkości producentami maszyn i instalacji. Mini Environments i automatyzacja pozwalają na oferowanie im konkurencyjnej technologii instalacji wzdłuż krytycznego łańcucha procesów w suchych środowiskach produkcyjnych. Wnioski z projektu AgiloBat pozwalają na elastyczną produkcję ogniw akumulatorowych oraz nowych systemów materiałów w ramach produkcji przemysłowej przy użyciu małej ilości materiałów. „Nie możemy też zapominać, że podczas tych procesów chemicznych w produkcji akumulatorów wykorzystywane są substancje krytyczne” – mówi Thomas Schmidberger. „Automatyzacja oparta na pracy robotów w połączeniu z zastosowaniem Mini Environments dba o zdrowie pracowników.”

Podobnie jak wszystkie inne komponenty KUKA, tak i robot KR CYBERTECH nano w projekcie AgiloBat spełnił wszystkie wymagania stawiane przez naukowców.

Mini Environment, czyli konsekwentne oddzielenie człowieka od procesu, znacznie obniża koszty bieżące.

Nicole Neub, dyrektorka ds. technologii akumulatorów w firmie Exentec

Znaczna oszczędność kosztów bieżących i zasobów

Jednak przede wszystkim procesy produkcyjne, zastosowane w AgiloBat, zapewniają większą oszczędność zasobów – i to na dwa sposoby: Po pierwsze potrzeba znacznie mniej energii niż w przypadku tradycyjnej produkcji. „W gigafabrykach od 25 do 40% całkowitego zapotrzebowania na energię przeznacza się wyłącznie na zapewnienie warunków pomieszczenia suchego. Przy okazji stale osuszane jest też powietrze, które jest nawilżane przez każdego człowieka znajdującego się w suchym pomieszczeniu” – mówi Nicole Neub. „Dzięki Mini Environments, czyli konsekwentnemu oddzieleniu człowieka od procesu, można znacząco zmniejszyć tę liczbę, a tym samym również koszty bieżące, czyli OPEX.” Po drugie znacznie ograniczamy niewykorzystaną ilość powietrza: „W przypadku dużych instalacji, nawet jeśli zostały one zintegrowane, mamy od 15 do 20 procent odpadów, które muszą zostać zutylizowane lub poddane recyklingowi” – przewiduje Sebastian Henschel z wbk. „Również te liczby możemy znacznie zredukować dzięki bardziej elastycznej produkcji.” A wszystko dzięki robotom KUKA!