Fabricação de células de bateria no miniambiente: automação flexível na sala seca

Da eletromobilidade, passando pela tecnologia de comunicação e médica, até ferramentas ou eletrodomésticos inteligentes: a indústria necessita cada vez mais células de bateria. Mas a sua produção em gigafábricas consome enormes quantidades de energia. Além disso, as grandes linhas de fabricação são muito inflexíveis. Uma possível alternativa do KIT foi testada com sucesso no Instituto de Engenharia de Produção WBK . O caminho: contenção de processo em miniambientes. Em um dos papéis principais: robôs da KUKA.

O futuro da produção de células de bateria: salas limpas e secas energeticamente eficientes

No Instituto de Engenharia de Produção WBK do Instituto de Tecnologia de Karlsruher (KIT) a pioneira produção de baterias já pode ser experimentada. Para torná-la mais flexível e eficiente, os pesquisadores criaram uma instalação de produção ágil de células no âmbito do projeto AgiloBat para baterias de íons de lítio: Com a ajuda da automação baseada em robô em miniambientes foi atingida uma flexibilidade, que até então era possível apenas na manufatura.

O KR 4 AGILUS em ação em uma das células de robô no KIT.

Através de processos adaptáveis e alterações de programa é possível produzir as mais diferentes geometrias de célula na sala seca – sem ter que reconfigurar o sistema de forma dispendiosa. Para isso, os pesquisadores desenvolveram células de robô especiais que, no que diz respeito à sua natureza e execução, representam uma novidade mundial. Elas foram projetadas e construídas pela Exentec Germany GmbH, uma empresa do Grupo Exyte. Exyte, a empresa internacional sediada em Stuttgart para a tecnologia de edifícios e construção de instalações desenvolve, planeja e disponibiliza instalações de produção sustentáveis e ultralimpas para indústrias de alta tecnologia, incluindo fábricas de semicondutores e de baterias, centros de dados ou instalações para a indústria biofarmacêutica. Um dos pontos fortes da Exentec são salas limpas e secas. Ou, nas palavras de Nicole Neub, Diretora do Departamento de Tecnologia de Baterias na Exentec: "Somos responsáveis pelo ar seco necessário no processo de fabricação de baterias."

Cada passo de processo em um miniambiente

É sabido que o ar ambiente pode conter apenas muito pouca umidade na produção de células de bateria. Para ser mais preciso: para que no processamento dos materiais sensíveis da bateria não ocorram oxidações ou inclusões de umidade, a umidade relativa do ar normalmente é inferior a 1 por cento. Pois, se for maior, isso pode causar problemas de qualidade mais tarde ou até falhas críticas das baterias.

A umidade relativa do ar nas células de robô normalmente é inferior a 1 por cento.

A secura necessária é produzida nos chamados Mini-Environments (miniambientes). "Aqui passos de processo individuais da produção e as respectivas máquinas são contidos e o ar filtrado é levado diretamente ao processo", explica Nicole Neub. "Através disso, apenas a máquina é alimentada com ar limpo e seco – e não um grande volume não utilizado no pavilhão de produção." Na produção industrial em massa de células de bateria, na maioria das vezes são operadas áreas de produção completas como sala seca, o que não é necessário para processos individuais e requer grandes quantidades de energia.

Ar extremamente seco: a contenção de processo torna isso possível

No projeto AgiloBat isso ocorre através de caixas tipo contêiner, nas quais existe um ponto de orvalho de até -50 °C. "Isso não tem nada a ver com a temperatura do ambiente de produção", explica o Gerente Técnico do projeto AgiloBat, Sebastian Henschel, do wbk Institut für Produktionstechnik do KIT. Mais exatamente, o ponto de orvalho indica a temperatura para a qual o ar deve ser resfriado, para que a umidade seja condensada. Ou seja: quanto menor o ponto de orvalho, mais seco será o ar. "A um ponto de orvalho de -50 °C, existem menos de 100 moléculas de água por milhão de moléculas de ar por volume", explica Henschel. "Isso corresponde a uma umidade relativa do ar muito abaixo de um por cento."

Com a ajuda dos robôs da KUKA alcançamos precisão industrial – com uma flexibilidade, que de outra forma somente conhecemos da produção manual.

Sebastian Henschel, Gerente Técnico do AgiloBat no KIT

As pessoas são separadas do processo – graças à automação inovadora

Um fator decisivo são os colaboradores: "Nós, seres humanos, consistimos em 80 por cento de água, o que em um processo como este não é nada útil", diz Henschel. "Mesmo quando estamos em repouso absoluto, expiramos pelo menos 120 gramas de umidade pura a cada hora", acrescenta Nicole Neub. "Estas são quantidades de umidade que influenciam negativamente de forma considerável um ponto de orvalho estável de, por exemplo, -50 °C." Para obter um ambiente realmente seco, deve-se manter as pessoas o mais distante possível. Essa é exatamente a abordagem da Exentec: "Em nosso miniambiente, separamos rigorosamente as pessoas do processo através da contenção", explica Nicole Neub. "Claro que isso somente é possível se este for executado de forma totalmente automatizada." E aqui entram em jogo os robôs da KUKA.

Os dois KR SCARA e o KR CYBERTECH nano trabalham juntos no miniambiente com máxima eficiência e precisão.

Inúmeros projetos de clientes bem-sucedidos falam a favor da KUKA

No âmbito do AgiloBat estão em uso quatro KR CYBERTECH nano, um KR 4 AGILUS bem como, para o empilhamento de células, dois KR SCARA – para a total satisfação dos responsáveis do projeto. "Há anos os fabricantes de células de bateria utilizam robôs KUKA em grandes quantidades na sala seca, para reduzir a contaminação ambiental através dos colaboradores e aumentar a qualidade da produção", diz Thomas Schmidberger, Business Development Manager na KUKA. Há algum tempo a KUKA está em contato com fabricantes de baterias no que se refere aos requisitos tecnológicos para ambientes de sala seca. "Os requisitos aos nossos produtos na sala seca são muito bem conhecidos de inúmeros projetos de clientes e são analisados continuamente junto com especialistas líderes da indústria", enfatiza Schmidberger. Como fabricante líder de robôs, a KUKA trabalha em uma certificação dos robôs para a aplicação na sala seca.

As células de robô desenvolvidas pelos pesquisadores do KIT representam uma novidade mundial.

Robôs da KUKA superam os desafios especiais na sala seca

Pois o uso na sala seca traz consigo desafios especiais para os robôs. Assim, a umidade do ar extremamente baixa pode levar a um maior desgaste. Isso vale principalmente para materiais que contêm plastificantes, por exemplo, vedações ou conexões de cabos: em aplicações de longo prazo na sala seca, eles podem se tornar porosos mais rapidamente e, no pior caso, até mesmo quebrar.

Mas também graxas lubrificantes, por exemplo, podem perder a capacidade funcional, porque perdem componentes da água. Portanto, desafios especiais – que são considerados na KUKA: desde 2020 os especialistas em automação de Augsburg já puderam coletar experiências com mais de 10.000 robôs na fabricação de células de bateria, das quais mais de 1.000 em aplicações de sala seca. A resposta do cliente é totalmente positiva.

Há anos os fabricantes de células de bateria usam robôs KUKA na sala seca para reduzir a contaminação ambiental e aumentar a qualidade da produção.

Thomas Schmidberger, Business Development Manager na KUKA

Repetibilidade e precisão encontram flexibilidade

Mas a produção em miniambientes por meio da automação não é apenas interessante para a produção de células de bateria, mas também para muitos outros ramos de atividades: "Na área de semicondutores, o tema é essencial, assim como na indústria farmacêutica", relata Nicole Neub da Exentec. É aqui que as vantagens da ampla gama de produtos da KUKA se tornam realidade: graças à sua versatilidade e flexibilidade os robôs podem ser usados em áreas, produtos e ambientes totalmente diferentes.

O KR CYBERTECH nano se insere de forma flexível no sistema.

Isso também foi comprovado pelo projeto no KIT: "Queríamos elaborar um sistema com máxima flexibilidade, ilustrando diversos passos de processo através de diferentes módulos de produção e, em seguida, uni-los entre si", conta o Gerente Técnico para AgiloBat Sebastian Henschel. "Aqui os robôs da KUKA comprovaram absolutamente o seu valor. Com a sua ajuda alcançamos a repetibilidade e precisão industrial – combinada com uma flexibilidade que de outra forma somente conhecemos da produção manual."

Possibilidade de produção atraente, mesmo em empresas de pequeno e médio porte

Essas características são especialmente atraentes para as PMEs – não por acaso, a equipe do KIT trabalhou no AgiloBat com construtores de máquinas e de instalações de médio porte. Miniambientes e automação permitem oferecer uma tecnologia de instalações competitiva ao longo da cadeia de processos crítica dentro de ambientes de produção relevantes de sala seca. Os conhecimentos do AgiloBat lhe permitem fabricar células de bateria de forma flexível, bem como testar novos sistemas de materiais através da fabricação orientada à indústria com pequenas quantidades de material. "Finalmente, também não podemos esquecer que nestes passos de processo químicos da fabricação de baterias é trabalhado com substâncias críticas", diz Thomas Schmidberger. "A automação baseada em robô em ligação com o uso de miniambientes protege, portanto, também a saúde dos colaboradores."

Como todos os componentes da KUKA, também o KR CYBERTECH nano no projeto AgiloBat atendeu os requisitos para a mais completa satisfação dos pesquisadores.

Através de miniambientes e a separação consequente entre pessoas e processo, é possível reduzir significativamente os custos correntes.

Nicole Neub, Diretora de Tecnologia de Baterias na Exentec

Economias significativas em custos e recursos correntes

Mas sobretudo os processos de produção utilizados no AgiloBat podem poupar recursos consideráveis – e isso sob dois aspectos: por um lado, é necessário muito menos energia do que na produção convencional. "Nas gigafábricas, entre 25 e 40 por cento da demanda total de energia é usada apenas para criar condições de sala seca. E ao mesmo tempo secamos constantemente contra a entrada contínua de umidade de cada pessoa na sala seca", diz Nicole Neub. "Através dos miniambientes e da separação consequente entre pessoas e processo, também podem ser reduzidos significativamente os custos correntes, isto é, a OPEX." E, em segundo lugar, a quantidade de refugo inutilizável é reduzida consideravelmente: "Nos grandes sistemas, mesmo quando eles estão bem ajustados, temos em parte 15 a 20 por cento de material de refugo que deve ser descartado ou reciclado", calcula Sebastian Henschel da wbk. "Também podemos reduzir consideravelmente esta taxa através da flexibilização da produção." Os robôs da KUKA tornam isso possível!