Výroba bateriových článků v mikroprostředích: flexibilní automatizace v suché místnosti

Od elektromobility přes komunikační technologie a medicínské přístroje až po chytré nástroje a domácí spotřebiče – průmysl potřebuje stále více bateriových článků. Jejich výroba v gigatovárnách však spotřebovává obrovské množství energie a zároveň je velmi neflexibilní. Možnou alternativu nyní úspěšně otestoval Institut výrobního inženýrství wbk na KIT, který přišel s řešením v podobě procesní izolace v mikroprostředích. Jednu z klíčových rolí zde přitom hrají roboty KUKA.

Budoucnost výroby bateriových článků: energeticky úsporné čisté a suché prostory

V Institutu pro výrobní technologie wbk při ústavu Karlsruher Institut für Technologie (KIT) si již nyní můžete vyzkoušet výrobu baterií zaměřenou na budoucnost. Aby byly tyto technologie flexibilnější a efektivnější, vědci v rámci projektu AgiloBat zřídili agilní zařízení na výrobu lithium-iontových baterií: S pomocí robotické automatizace v mikroprostředích bylo dosaženo úrovně flexibility, která byla dříve možná pouze ve výrobě.

KR 4 AGILUS v akci v jedné z robotických buněk v ústavu KIT.

Díky přizpůsobivým procesům a změnám programu lze v suchém prostoru vyrábět širokou škálu geometrií článků – bez nutnosti složité přestavby stávajícího systému. Za tímto účelem vědci vyvinuli speciální robotické buňky, které představují světovou novinku, pokud jde o jejich strukturu a design. Navrhla a postavila je společnost Exentec Germany GmbH, která je součástí skupiny Exyte Group. Exyte, mezinárodní společnost se sídlem v německém Stuttgartu zabývající se technickým vybavením budov a inženýrskými stavbami zařízení, navrhuje, plánuje a dodává udržitelná a ultra čistá výrobní zařízení pro high-tech odvětví, včetně továren na polovodiče a baterie, datových center a zařízení pro biofarmaceutický průmysl. Jedním z hlavních zaměření společnosti Exentec jsou čisté a suché prostory. Nebo řečeno slovy Nicole Neubové, ředitelky oddělení bateriových technologií ve společnosti Exentec: „Jsme zodpovědní za nezbytný suchý vzduch v procesu výroby baterií.“

Každý procesní krok v mikroprostředí

Jak je dobře známo, okolní vzduch při výrobě bateriových článků musí obsahovat minimum vlhkosti vzduchu. Přesněji řečeno: Aby se zabránilo oxidaci nebo průniku vlhkosti při zpracování citlivých bateriových materiálů, činí relativní vlhkost vzduchu většinou méně než 1 procento. Pokud je vyšší, může to později vést k problémům s kvalitou nebo dokonce ke kritickému selhání baterií.

Relativní vlhkost vzduchu v robotických buňkách je obvykle nižší než 1 procento.

Požadovaná suchost se vytváří v tzv. mikroprostředích. „V rámci tohoto procesu jsou jednotlivé kroky výrobního procesu a související stroje uzavřeny do odděleného prostoru a filtrovaný vzduch je přiváděn přímo do procesu,“ vysvětluje Nicole Neubová. „To znamená, že čistý a suchý vzduch je přiváděn pouze do stroje – a ve výrobní hale nezůstává žádný velký nevyužitý objem.“ V průmyslové hromadné výrobě bateriových článků jsou celé výrobní prostory obvykle provozovány jako suchý prostor, což není pro jednotlivé procesy nutné a vyžaduje to velké množství energie.

Extrémně suchý vzduch: Oddělený prostor pro výrobní proces vše umožňuje

V projektu AgiloBat se to provádí pomocí boxů podobných kontejnerům, kde panuje rosný bod až -50 °C. „To nemá nic společného s teplotou výrobního prostředí,“ vysvětluje Sebastian Henschel, technický ředitel projektu AgiloBat z Institutu pro výrobní technologii wbk při ústavu KIT. Rosný bod spíše udává teplotu, na kterou se musí vzduch ochladit, aby mohla kondenzovat vlhkost. To znamená: Čím nižší je rosný bod, tím sušší je vzduch. „Při rosném bodu -50 °C přichází objemově na milion molekul vzduchu méně než 100 molekul vody“, zdůrazňuje Henschel. „To odpovídá relativní vlhkosti vzduchu hluboko pod jedním procentem.“

S pomocí robotů KUKA jsme dosáhli průmyslové přesnosti – s flexibilitou, kterou jinak známe jen z ruční výroby.

Sebastian Henschel, technický ředitel AgiloBat ve společnosti KIT

Lidé jsou od procesu odděleni – a to díky inovativní automatizaci

Jedním z rozhodujících faktorů jsou v tomto kontextu zaměstnanci: „My lidé se skládáme z 80 procent z vody, což v takovém procesu rozhodně není užitečné,“ říká Henschel. „A i když jsme v naprostém klidu, vydechujeme každou hodinu nejméně 120 gramů čisté vlhkosti,“ dodává Nicole Neubová. „Toto je množství vlhkosti, které významně negativně ovlivňuje stabilní rosný bod například -50 °C.“ Aby bylo výrobní prostředí skutečně suché, je třeba zabránit do něj vstupu lidem, jak jen to je možné. Přesně to je přístup společnosti Exentec: „V našem mikroprostředí důsledně oddělujeme lidi od procesu tím, že vytváříme oddělený prostor pro výrobní proces,“ vysvětluje Nicole Neubová. „Samozřejmě je to možné pouze tehdy, pokud proces běží plně automaticky.“ A právě zde vstupují do hry roboty KUKA.

Dva roboty KR SCARA a KR CYBERTECH nano spolupracují v mikroprostředích s extrémní efektivitou a přesností.

Úspěšné zákaznické projekty hovoří za firmu KUKA

V rámci projektu AgiloBat se používají čtyři roboty KR CYBERTECH nano, jeden robot KR 4 AGILUS a pro stohování článků dva roboty KR SCARA – k naprosté spokojenosti projektových manažerů. „Výrobci bateriových článků používají už léta velký počet robotů značky KUKA v suchém prostoru s cílem snížit snížit kontaminaci prostředí zaměstnanci a zvýšit kvalitu výroby“, říká Thomas Schmidberger, Business Development Manager ve společnosti KUKA. Společnost KUKA je již delší dobu v kontaktu s výrobci baterií ohledně jejich technologických požadavků pro prostředí suchého prostoru. „Požadavky na naše produkty v suchém prostoru jsou nám dobře známy z mnoha úspěšných zákaznických projektů a jsou průběžně analyzovány společně s předními odborníky z oboru,“ zdůrazňuje Schmidberger. Jakožto přední výrobce robotů pracuje společnost KUKA na certifikaci svých robotů pro použití v suchém prostoru.

Robotické buňky vyvinuté výzkumníky z KIT představují světovou premiéru.

Roboty KUKA zvládají mimořádné výzvy v suchém prostoru

Použití v suchém prostoru totiž představuje pro roboty zcela mimořádné výzvy. Extrémně nízká vlhkost vzduchu může vést k většímu opotřebení. To platí zejména pro materiály, které obsahují změkčovadla, jako jsou těsnění nebo kabelové spoje: Pokud se dlouhodobě používají v suchém prostoru, mohou se rychleji stát porézními a v nejhorším případě se dokonce zlomit.

Ale například mazací tuky mohou také ztratit svou funkčnost, protože ztrácejí vodní složky. To jsou právě mimořádné výzvy, které KUKA zohledňuje: Od roku 2020 nasbírali odborníci na automatizaci z Augsburgu zkušenosti s více než 10 000 roboty ve výrobě bateriových článků, z toho více než 1 000 v aplikacích pro suchý prostor. Reakce zákazníků je dlouhodobě pozitivní.

Výrobci bateriových článků používají roboty KUKA v suchých prostorách již léta, aby snížili znečištění životního prostředí a zvýšili kvalitu výroby.

Thomas Schmidberger, Business Development Manager ve společnosti KUKA

Opakovatelnost a přesnost se setkávají s flexibilitou

Výroba v mikroprostředích s využitím automatizace však není zajímavá jen pro výrobu bateriových článků, ale i pro mnoho dalších odvětví: „Toto téma je zásadní v sektoru polovodičů i ve farmaceutickém průmyslu,“ uvádí Nicole Neubová ze společnosti Exentec. Zde se plně projevují výhody široké palety výrobků společnosti KUKA: Díky své všestrannosti a flexibilitě lze roboty použít pro zcela odlišné oblasti, produkty a prostředí.

KR CYBERTECH nano se do systému flexibilně začlení.

To prokázal také projekt v ústavu KIT: „Chtěli jsme vybudovat maximálně flexibilní systém mapováním různých procesních kroků prostřednictvím různých výrobních modulů a jejich následným propojením,“ vysvětluje Sebastian Henschel, technický ředitel projektu AgiloBat. „Roboty KUKA se v tomto ohledu osvědčily jako dokonale efektivní.“ S jejich pomocí jsme dosáhli průmyslové opakovatelnosti a přesnosti – v kombinaci s flexibilitou, kterou jinak známe pouze z ruční výroby.

Atraktivní možnost výroby, i pro malé a střední firmy

Tyto funkce jsou obzvláště atraktivní pro malé a střední podniky – není náhoda, že tým KIT v rámci projektu AgiloBat spolupracuje se středně velkými strojírenskými společnostmi. Mikroprostředí a automatizace jim umožňují nabízet konkurenceschopnou technologii zařízení v celém kritickém procesním řetězci ve výrobních prostředích relevantních pro suché prostory. Zjištění z projektu AgiloBat jim umožňují flexibilně vyrábět bateriové články a testovat nové materiálové systémy prostřednictvím průmyslové výroby s malým množstvím materiálu. „A konečně nesmíme zapomínat, že tyto chemické procesní kroky při výrobě baterií zahrnují použití kritických látek,“ říká Thomas Schmidberger. „Automatizace založená na robotice ve spojení s použitím mikroprostředích chrání tedy i zdraví zaměstnanců.“

Stejně jako všechny komponenty KUKA, i robot KR CYBERTECH nano splnil požadavky projektu AgiloBat k plné spokojenosti výzkumníků.

Prostřednictvím mikroprostředí a důsledného oddělení lidí a procesů lze výrazně snížit provozní náklady.

Nicole Neubová, ředitelka bateriových technologií ve společnosti Exentec

Významné úspory provozních nákladů a zdrojů

Především však výrobní procesy používané v projektu AgiloBat mohou ušetřit významný objem zdrojů – a to ve dvou ohledech: Na jedné straně je zapotřebí výrazně méně energie než u konvenční výroby. „V gigatovárnách se 25 až 40 procent celkové spotřeby energie využívá k vytvoření podmínek suchého prostoru.“ A přitom neustále sušíme proti neustálému přísunu vlhkosti každé osoby v suchém prostoru,“ říká Nicole Neubová. „Díky mikroprostředím a důslednému oddělení lidí a procesů lze toto číslo a tím i provozní náklady, tj. OPEX, výrazně snížit.“ A za druhé, výrazně se snižuje nepoužitelné zmetky: „U velkých zařízení, i když jsou již plně zavedené, máme někdy 15 až 20 procent zmetků, které je třeba zlikvidovat nebo recyklovat,“ vysvětluje Sebastian Henschel z Institutu wbk. „Ovšem i tuto kvótu můžeme výrazně snížit flexibilnější výrobou.“ Roboty značky KUKA to umožňují!