Fabricarea celulelor de baterii în mini-mediu: automatizare flexibilă în cameră uscată

De la e-Mobility, tehnologie de comunicații și tehnologie medicală până la unelte sau aparate de uz casnic inteligente: Industria are nevoie de un număr din ce în ce mai mare de celule de baterii. Cu toate acestea, producția lor în giga-fabrici necesită cantități uriașe de energie. În plus, liniile de producție mari sunt foarte neflexibile. O posibilă alternativă a fost acum testată cu succes la Institutul wbk pentru tehnologia de producție a KIT. Calea: Încapsularea procesului în mini- medii. Într-unul dintre rolurile principale: robotul de la KUKA.

Viitorul producției de celule de baterii: spații curate și uscate, eficiente din punct de vedere energetic

La Institutul wbk pentru tehnologia de producție din cadrul Institutului pentru tehnologie de la Karlsruhe (KIT), se poate experimenta deja producția de baterii a viitorului. Pentru a spori flexibilitatea și eficiența, cercetătorii au construit în cadrul proiectului AgiloBat o producție tip agile de celule pentru bateriile litiu-ion: Cu ajutorul automatizării pe bază de robot în mini-medii, s-a obținut o flexibilitate care era posibilă până în prezent numai în producția manuală.

KR 4 AGILUS în acțiune într-una dintre celulele robotizate de la KIT.

Prin procese adaptabile și modificări ale programului, se pot produce în camera uscată cele mai diverse geometrii de celule - fără a fi nevoie de o conversie amplă a instalației. În acest scop, cercetătorii au dezvoltat celule robotizate speciale, care reprezintă o noutate mondială în ceea ce privește structura și execuția lor. Acestea au fost proiectate și construite de Exentec Germany GmbH, o companie din Grupul Exyte. Multinaționala Exyte, o companie cu sediul la Stuttgart, care se ocupă cu tehnologia construcțiilor și ingineria instalațiilor, dezvoltă, planifică și pune la dispoziție instalații de producție durabile și ultrapure pentru industriile de înaltă tehnologie, inclusiv fabrici de semiconductori și baterii, centre de date sau instalații pentru industria biofarmaceutică. Unul dintre punctele forte ale companiei Exentec este reprezentat de camere curate și uscate. Sau potrivit lui Nicole Neub, directorul departamentului de tehnologie a bateriilor de la Exentec: „Răspundem de aerul uscat necesar în procesul de fabricare a bateriilor.”

Fiecare etapă de proces într-un mini-mediu

Se știe că aerul ambiental din mediul în care are loc fabricarea de celule de baterii nu trebuie să aibă decât un grad redus de umiditate. Mai precis: Pentru a evita oxidarea sau pătrunderea umidității la prelucrarea materialelor sensibile ale bateriei, umiditatea relativă este de obicei mai mică de 1 procent. Dacă gradul de umiditate este mai mare, acest lucru poate duce mai târziu la probleme de calitate sau chiar la defecțiuni critice ale bateriilor.

Umiditatea relativă în celulele robotizate este, de obicei, mai mică de 1 la sută.

Aerul uscat necesar se obține în așa-numitele mini-medii. „Etape individuale de producție și mașinile aferente sunt încapsulate, iar aerul filtrat este adus direct la proces”, explică Nicole Neub. „Astfel, numai mașina este alimentată cu aer curat și uscat – și nu are un volum mare neutilizat în hala de producție.” În producția industrială în masă de celule de baterii, majoritatea suprafețelor de producție sunt exploatate drept camere uscate, ceea ce nu este necesar pentru procese individuale și necesită cantități mari de energie.

Aer extrem de uscat: Încapsularea procesului face acest lucru posibil

În proiectul AgiloBat, acest lucru se realizează prin cutii de tip container, în care există un punct de rouă de până la -50 °C. „Acest lucru nu are de-a face cu temperatura mediului de producție”, explică Sebastian Henschel, directorul tehnic al proiectului AgiloBat, de la Institutul wbk pentru tehnologia de producție al KIT. În schimb, punctul de rouă indică o anumită temperatură, care trebuie să fie micșorată în aer, astfel încât umiditatea să se condenseze. Cu alte cuvinte: Cu cât punctul de rouă este mai scăzut, cu atât aerul este mai uscat. „La un punct de rouă de -50 °C, volumul la un milion de molecule de aer scade sub 100 de molecule de apă”, subliniază Henschel. „Aceasta corespunde unei umidități relative a aerului cu mult sub un procent.”

Cu ajutorul roboților de la KUKA am obținut precizia industrială – cu o flexibilitate care altfel era posibilă doar din producția manuală.

Sebastian Henschel, directorul tehnic al AgiloBat la KIT

Oamenii sunt separați de proces – datorită automatizării inovatoare

Un factor decisiv îl reprezintă personalul: „Noi, oamenii, suntem alcătuiți în proporție de 80 la sută din apă, ceea ce nu este deloc bine pentru un astfel de proces”, spune Henschel. „Și chiar dacă suntem în repaus absolut, respirăm în fiecare oră cel puțin 120 de grame de umiditate pură”, adaugă Nicole Neub. „Acestea sunt cantități de umiditate care au o influență negativă semnificativă asupra unui punct de rouă stabil, de exemplu -50 °C.” Pentru a obține mediul de producție uscat în mod corespunzător, oamenii trebuie să stea cât mai departe posibil. Exact aceasta este abordarea Exentec: „În mini-mediul nostru separăm, prin încapsulare, oamenii de proces în mod consecvent”, explică Nicole Neub. „Desigur, acest lucru funcționează doar dacă procesul se desfășoară complet automatizat.” Iar aici intră în scenă roboții de la KUKA.

Cei doi roboți KR SCARA și KR CYBERTECH nano lucrează împreună în mini-mediu cu cea mai mare eficiență și precizie.

Dovada companiei KUKA sunt numeroasele proiecte de succes ale clienților

În cadrul AgiloBat sunt utilizați patru roboți KR CYBERTECH nano, un robot KR 4 AGILUS și, pentru stivuirea celulelor, doi roboți KR SCARA – spre satisfacția deplină a responsabililor de proiect. „Compania producătoare de celule de baterii utilizează de ani de zile un număr mare de roboți KUKA în cameră uscată, pentru a reduce contaminarea mediului din cauza personalului și pentru a spori calitatea producției”, spune Thomas Schmidberger, manager de dezvoltare a afacerii la KUKA. Compania KUKA colaborează de mult timp cu producătorii de baterii în ceea ce privește cerințele tehnologice pentru mediile cu cameră uscată. „Cerințele pentru produsele noastre în cameră uscată sunt cunoscute cel mai bine prin numeroasele proiecte ale clienților de succes și sunt analizate în mod continuu împreună cu experți industriali de vârf”, subliniază Schmidberger. În calitate de producător de roboți de top, KUKA lucrează la o certificare a roboților pentru utilizarea în cameră uscată.

Celulele robotizate dezvoltate de cercetătorii KIT reprezintă o noutate mondială.

Roboții de la KUKA fac față cu brio provocărilor deosebite din camera uscată

Utilizarea în cameră uscată aduce provocări deosebite pentru roboți. Astfel, umiditatea extrem de scăzută poate duce la uzură mai accentuată. Acest lucru este valabil în special pentru materialele care conțin agenți de înmuiere, de exemplu garnituri sau conexiuni prin cablu: În cazul utilizării pe termen lung în camera uscată, acestea pot deveni mai repede poroase, în cel mai rău caz ajungând chiar să se rupă.

Și vaselina, de exemplu, poate afecta capacitatea de funcționare, deoarece pierde componente de apă. Provocări deosebite, așadar – care sunt abordate la KUKA: Din 2020, experții în automatizare de la Augsburg au avut deja experiență cu peste 10.000 de roboți în producția de celule de baterii, dintre care peste 1.000 în aplicațiile în cameră uscată. În acest sens, feedback-ul clienților este pozitiv.

Producătorii de celule de baterii folosesc de ani de zile roboți KUKA în cameră uscată, pentru a reduce contaminarea mediului și a crește calitatea producției.

Thomas Schmidberger, manager de dezvoltare a afacerii la KUKA

Repetabilitatea și precizia se combină cu flexibilitatea

Cu toate acestea, producția în mini-medii prin automatizare este interesantă nu numai pentru producția de celule de baterie, ci și pentru multe alte industrii: „În domeniul semiconductorilor, subiectul este esențial, la fel ca și în industria farmaceutică”, a declarat Nicole Neub de la Exentec. Iată care sunt avantajele gamei largi de produse de la KUKA: Datorită versatilității și flexibilității, roboții pot fi utilizați pentru domenii, produse și medii complet diferite.

KR CYBERTECH nano se integrează flexibil în sistem.

Acest lucru a fost demonstrat și de proiectul de la KIT: „Ne-am dorit să construim un sistem cât se poate de flexibil, prin identificarea diferitelor etape ale procesului folosind module de producție diferite și apoi prin conectarea acestora”, povestește Sebastian Henschel, directorul tehnic al AgiloBat. „Roboții de la KUKA s-au dovedit extrem de eficienți în acest sens. Cu ajutorul lor, am obținut repetabilitatea și precizia industrială – împreună cu o flexibilitate care era posibilă doar din producția manuală.”

Posibilitate de producție atractivă și pentru întreprinderile mici și mijlocii

Aceste caracteristici sunt deosebit de atractive pentru IMM-uri – nu întâmplător, echipa KIT a colaborat la AgiloBat cu producătorii de mașini și instalații de dimensiuni medii. Mini-mediile și automatizarea le permit să ofere o tehnologie competitivă de investiții de-a lungul lanțului critic de proces în medii de producție relevante pentru spațiile uscate. Cunoștințele obținute în cadrul proiectului AgiloBat facilitează o producție flexibilă de celule de baterii și testarea unor sisteme noi de materiale prin fabricarea industrială cu cantități mici de materiale. „În cele din urmă, nu trebuie să uităm nici că în aceste etape de proces chimic se lucrează la fabricarea bateriilor cu substanțe critice”, spune Thomas Schmidberger. „Prin urmare, automatizarea bazată pe roboți în combinație cu utilizarea mini-mediilor protejează și sănătatea angajaților.”

Ca toate componentele KUKA, KR CYBERTECH nano din proiectul AgiloBat a îndeplinit, de asemenea, cerințele spre satisfacția deplină a cercetătorilor.

Prin intermediul mini-mediilor și, în consecință, prin separarea consecventă a omului de proces, costurile curente pot fi reduse semnificativ.

Nicole Neub, director tehnologie baterii la Exentec

Economii considerabile în ceea ce privește costurile curente și resursele

Cu toate acestea, mai presus de toate, procedurile de producție aplicate la AgiloBat pot duce la economisirea semnificativă a resurselor – în două privințe: Pe de o parte, este nevoie de mult mai puțină energie decât în producția tradițională. „În giga-fabrici, între 25 și 40 de procente din necesarul total de energie reprezintă numai asigurarea condițiilor de cameră uscată. În acest timp, trebuie să împiedicăm constant pătrunderea umidității generate de fiecare persoană care se află în camera uscată”, spune Nicole Neub. „Mini-mediile și, în consecință, separarea consecventă a omului de proces permit reducerea semnificativă a numărului de persoane implicate și, prin urmare, a costurilor curente, și anume OPEX.” Iar, în al doilea rând, rebuturile neutilizabile sunt reduse în mod semnificativ: „În cazul instalațiilor mari, chiar și atunci când acestea au fost introduse, uneori 15-20 de procente din material reprezintă rebuturi care trebuie eliminate sau reciclate”, spune Sebastian Henschel de la wbk. „Și această cotă poate fi redusă semnificativ prin flexibilizarea producției.” Roboții de la KUKA fac acest lucru posibil!