Battericellsproduktion i minimiljöer: flexibel automation i torrum

Inom elektromobilitet, kommunikations- och medicinteknik, samt till smarta verktyg och hushållsapparater: Industrin behöver allt fler battericeller. Att producera dem i gigafabriker kräver dock enorma mängder energi. Dessutom är dessa stora produktionslinjerna allt annat än flexibla. Ett möjligt alternativ har nu testats framgångsrikt på wbk Institute of Production Science på KIT. Lösningen: Processer som kapslas in i minimiljöer. En av de viktigaste komponenterna: Robotar från KUKA.

Battericellsproduktionens framtid: energieffektiva renrum och torrum

På wbk Institute of Production Science på Karlsruher Institut für Technologie (KIT) kan man redan idag uppleva innovativ batteriproduktion. För att göra produktionen ännu mer flexibel och effektiv har forskare inom ramen för projektet AgiloBat skapat en effektiv och flexibel lösning för tillverkning av battericeller till litiumjonbatterier: Med hjälp av robotbaserad automation i minimiljöer uppnåddes en flexibilitet som hittills endast varit möjlig i småskalig, manuell produktion.

KR 4 AGILUS i drift i en av KIT:s robotceller.

Tack vare anpassningsbara processer och programändringar kan vitt skilda cellgeometrier tillverkas i torrummet – utan att anläggningen behöver riggas om. Forskarna utvecklade speciella robotceller vars utförande och design saknar motstycke. För design och konstruktion ansvarade Exentec Germany GmbH, ett företag i Exyte-gruppen. Exyte, ett internationellt verksamt företag inom byggnadsteknik och anläggningsbyggnad med huvudkontor i Stuttgart, projektutvecklar och levererar hållbara, ultrarena produktionsanläggningar till högteknologiska industriföretag, bland annat till halvledar- och batterifabriker, datacenter samt anläggningar i biofarmaindustrin. En av tyngdpunkterna för Exentec är renrum och torrum. Eller som Nicole Neub, chef för avdelningen för batteriteknik på Exentec, sammanfattar det: ”Vi ansvarar för den torra luften som är en förutsättning för batteritillverkning.”

Alla processteg sker i minimiljö

Omgivningsluften vid tillverkning av battericeller får som bekant endast innehålla en mycket låg andel fukt. Närmare bestämt: För att det inte ska uppstå oxidation eller fuktinneslutningar vid bearbetningen av de känsliga batterimaterialen ligger den relativa luftfuktigheten oftast under 1 procent. Om den är högre kan det leda till kvalitetsproblem eller till och med kritiska batterifel.

Den relativa luftfuktigheten i robotcellerna brukar ligga under 1 procent.

Den nödvändiga torrheten skapas i så kallade minimiljöer. ”De enskilda processtegen i produktionen, liksom de tillhörande maskinerna, kapslas in och filtrerad luft tillförs processen direkt”, berättar Nicole Neub. ”Tack vare det endast maskinen som tillförs ren och torr luft – inte den stora, oanvända volymen i produktionshallen.” Vid industriell massproduktion av battericeller fungerar oftast hela produktionsytor som torrum, vilket inte är nödvändigt för enskilda processer, och kräver dessutom stora mängder energi.

Extremt torr luft: Processinkapsling är lösningen

I projektet AgiloBat sker detta med containerliknande lådor där det råder en daggpunktstemperatur på upp till –50 °C. ”Denna siffra har inget med temperaturen i produktionsmiljön att göra”, förklarar Sebastian Henschel, teknisk chef för AgiloBat-projektet på KIT:s wbk Institute of Production Science. I stället anger daggpunkten den temperatur som luften måste kylas ner till för att fukten i luften ska kondenseras. Med andra ord: Ju lägre daggpunkt, desto torrare luft. ”Vid en daggpunkt på –50 °C finns det mindre än 100 vattenmolekyler per miljon luftmolekyler i volym”, berättar Sebastian Henschel. ”Det motsvarar en relativ luftfuktighet långt under en procent.”

Med hjälp av KUKA:s robotar har vi uppnått precision på industriell nivå och det med en flexibilitet som annars bara uppnås vid småskalig, manuell produktion.

Sebastian Henschel, teknisk chef för AgiloBat på KIT

Människor separeras från processer – tack vare innovativ automation

En avgörande faktor är medarbetarna: ”Vi människor består till 80 procent av vatten, vilket inte är en fördel i dessa processer", förklarar Sebastian Henschel. ”Och även i vila andas vi ut minst 120 gram ren fukt per timme”, tillägger Nicole Neub. ”Det är fuktmängder som har en mycket negativ inverkan på en stabil daggpunkt på exempelvis –50 °C.” För att produktionsmiljön ska bli så torr som möjligt måste alltså människor hållas borta från den i så hög utsträckning som möjligt. Precis det gör Exentec: ”I vår minimiljö separerar vi människor och processer på ett konsekvent sätt tack vare inkapslingen”, berättar Nicole Neub. ”Detta är naturligtvis bara möjligt i helt automatiserade processer.” Det är här KUKA:s robotar kommer in i bilden.

Två KR SCARA och en KR CYBERTECH nano samarbetar med maximal effektivitet och precision i minimiljön.

Många framgångsrika kundprojekt talar för KUKA

I AgiloBat-projektet används fyra KR CYBERTECH nano, en KR 4 AGILUS samt för cellstacking två KR SCARA och de projektansvariga är hittills mycket nöjda. ”Battericellstillverkare använder sedan lång tid KUKA-robotar i stora kvantiteter i sina torrum för att minska den kontaminering av omgivningen som medarbetarna orsakar, men även för attöka produktionskvaliteten”, berättar Thomas Schmidberger, Business Development Manager hos KUKA. KUKA har under en längre tid fört en dialog med batteritillverkare om de tekniska krav tillverkarna ställer på sina torrumsmiljöer. ”Kraven som våra produkter måste uppfylla i våra kunders torrum är vi väl medvetna om efter alla framgångsrika kundprojekt och det är något vi analyserar löpande tillsammans med ledande branschexperter”, betonar Thomas Schmidberger. Som ledande robottillverkare arbetar KUKA på en certifiering av sina robotar avsedda för torrum.

De robotceller som utvecklats av forskarna på KIT saknar motstycke globalt.

KUKA:s robotar är som gjorda för torrum

Drift i torrum medför speciella utmaningar för robotar. Den extremt låga luftfuktigheten kan t.ex. orsaka högre slitage. Detta gäller särskilt material som innehåller mjukgörare, t.ex. tätningar och kabelanslutningar: Vid långvarig drift i torrum kan de bli porösa snabbare, i värsta fall få sprickor eller brott.

KUKA:s robotar klarar de speciella utmaningar som råder i torrum.

Även smörjfetter kan få försämrad funktion på grund av att deras vattenandelar minskar successivt. Minst sagt speciella utmaningar – som dock KUKA har full koll på: Sedan 2020 har automationsspecialisten från Augsburg redan hunnit samla erfarenheter från över 10 000 robotar som används inom battericellstillverkning, varav mer än 1 000 inom torrumstillämpningar. Kundresponsen har varit genomgående positiv.

Battericellstillverkare använder sedan lång tid KUKA-robotar i sina torrum för att minska kontamineringen i produktionsmiljön samt för att öka produktionskvaliteten.

Thomas Schmidberger, Business Development Manager hos KUKA

Repeterbarhet och precision möter flexibilitet

Automatiserad produktion i minimiljöer är inte bara intressant inom battericellsproduktion utan även för en lång rad andra branscher: ”Inom halvledarsektorn är frågeställningen mycket viktig, liksom inom läkemedelsindustrin”, berättar Nicole Neub från Exentec. Vid projektutvecklingen utnyttjas fördelarna med KUKA:s breda produktutbud fullt ut: Tack vare robotarnas mångsidighet och flexibilitet kan de användas för vitt skilda tillämpningar, produkter och miljöer.

KR CYBERTECH nano integrerar sig flexibelt i systemet.

Detta har även projektet på KIT bevisat: ”Vi ville skapa ett så flexibelt system som möjligt genom att avbilda de enskilda processtegen med olika produktionsmoduler och sedan länka samman dessa”, berättar Sebastian Henschel, teknisk chef för AgiloBat. ”KUKA:s robotar har levererat över förväntan. Med deras hjälp har vi uppnått industriell repeterbarhet och precision – kombinerat med en flexibilitet som annars bara uppnås vid småskalig, manuell produktion.”

Intressant produktionslösning även för små och medelstora företag

Dessa egenskaper är särskilt intressanta för små och medelstora företag. Det är därför ingen tillfällighet att AgiloBat-teamet på KIT har valt att samarbeta med små och medelstora maskin- och anläggningsbyggare. Minimiljöer och automation gör det möjligt för dem att erbjuda konkurrenskraftig anläggningsteknik, som kan integreras i den kritiska processkedjan i produktionsmiljöer med torrum. Erfarenheterna från AgiloBat gör det möjligt för dem att tillverka battericeller på ett flexibelt sätt och testa nya materialsystem med små materialmängder nära industrin. ”Viktigt att komma ihåg är att det vid dessa kemiska processteg förekommer kritiska kemiska ämnen vid batteriproduktionen”, förklarar Thomas Schmidberger. ”Robotbaserad automation i minimiljöer bidrar även till att skydda personalens hälsa.”

Som alla komponenter från KUKA uppfyllde även KR CYBERTECH nano kraven i AgiloBat-projektet till forskarnas fulla belåtenhet.

Minimiljöer och deras konsekventa separation av människor och processer leder till kraftigt sänkta driftskostnader.

Nicole Neub, chef för batteriteknik hos Exentec

Betydande besparingar i driftskostnader och resurser

Produktionsmetoder som används i AgiloBat-projektet kan spara avsevärda resurser – och i två hänseenden: För det första går det åt betydligt mindre energi än vid konventionell produktion. ”I gigafabriker går mellan 25 och 40 procent av det totala energibehovet enbart till att skapa torrumsförhållanden. Och vi torkar hela tiden luften för att motverka den fukt som tillförs av varje person som befinner sig i torrummet", förklarar Nicole Neub. ”Med minimiljöer och den konsekventa separationen av människor och processer kan denna siffra och därmed även de löpande kostnaderna, det vill säga OPEX, minskas avsevärt.” Och för det andra minskas antalet produkter som måste kasseras avsevärt: ”På de stora anläggningarna, även när dessa har körts in, måste ibland 15 till 20 procent av materialet kasseras eller återvinnas”, berättar Sebastian Henschel från wbk. ”Även denna andel kan vi minska kraftigt genom att göra produktion mer flexibel.” KUKA:s robotar gör det möjligt!