Mini ortamda batarya hücresi üretimi: Kuru odalarda esnek otomasyon

E-mobiliteden iletişim ve tıbbi teknolojilere, akıllı araçlardan ev aletlerine... Sektörlerin batarya ihtiyacı giderek artıyor. Ancak bunların Gigafactory’lerde üretilmesi muazzam miktarda enerji tüketiyor. Büyük üretim hatları da çok esnek değildir. Bu sorunları giderebilecek bir alternatif, Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'nde (KIT) başarıyla test edildi. Çözüm ne mi? Mini ortamlarda proses muhafazası. Peki sürecin merkezinde ne var? Tabii ki de KUKA robotları.

Batarya hücresi üretiminin geleceği: Enerji verimli, temiz ve kuru odalar

Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'nün (KIT) wbk Üretim Teknolojisi Enstitüsü bünyesinde geleceğin batarya üretimini şimdiden deneyimleyebilmek artık mümkün. Lityum iyon pilleri daha esnek ve verimli hale getirmek isteyen araştırmacılar, AgiloBat projesi kapsamında bir çevik hücre üretimi kurdular: Mini ortamlarda robot tabanlı otomasyonun yardımıyla daha önce yalnızca üretimde mümkün olan bir esneklik düzeyine ulaştılar.

KR 4 AGILUS, KIT'teki robot hücrelerinden birinde çalışırken.

Uyarlanabilir prosesler ve program değişiklikleri sayesinde kuru odalarda çok çeşitli hücre geometrileri üretilebiliyor ve böylece karmaşık sistem dönüşümlerine gerek kalmıyor. Bu doğrultuda araştırmacılar, yapı ve tasarım açısından dünyada bir ilk olan özel robot hücrelerini geliştirdiler. Bu hücreler, Exyte Grubu'nun bir şirketi olan Exentec Germany GmbH tarafından tasarlanıyor ve üretiliyor. Stuttgart merkezli uluslararası inşaat hizmetleri ve tesis mühendisliği şirketi Exyte, yarı iletken ve batarya fabrikaları, veri merkezleri ve biyofarmasötik sektörüne yönelik tesisler de dahil olmak üzere yüksek teknolojili sektörler için sürdürülebilir ve ultra temiz üretim tesislerinin tasarım, planlama ve inşasını yürütüyor. Exentec'in ana odak noktalarından biri de temiz ve kuru odalar. Exentec Batarya Teknolojisi Direktörü Nicole Neub'un sözleriyle ifade etmek gerekirse: "Batarya üretim sürecinde gerekli olan kuru havadan biz sorumluyuz."

Her proses adımı mini ortamda

Bilindiği üzere batarya hücresi üretiminde ortam havasının çok az nem içermesi gerekir. Detaylandıracak olursak: Hassas batarya malzemelerinin işlenmesi sırasında oksidasyon veya nem oluşumunu önlemek için bağıl nem genellikle yüzde 1'in altında olmalıdır. Bağıl nemin yüksek olması, kalite sorunlarına ve hatta kritik batarya arızalarına yol açabilir.

Robot hücrelerindeki bağıl nem genellikle yüzde 1'in altındadır.

Bu doğrultuda gereken kuruluk da mini ortamlarda yaratılır. Nicole Neub: "Üretimdeki her bir proses adımı ve ilgili makineler kapatılıyor ve filtrelenen hava doğrudan prosese dahil ediliyor." "Bu sayede sadece makineye temiz ve kuru hava veriliyor ve üretim holünde büyük miktarda kullanılmayan hava kalmıyor." Genellikle batarya hücrelerinin seri üretiminde tüm üretim alanları kuru oda olarak işletilmekte birlikte, bu durum her bir proses için gerekli değildir ve büyük miktarda enerji gerektirmektedir.

Aşırı kuru hava: Proses muhafazası ile mümkün

AgiloBat projesinde ise bu işlem, -50 °C'ye kadar ulaşan bir çiy noktasının bulunduğu konteyner benzeri kutular kullanılarak yapılmaktadır. KIT wbk Üretim Teknolojisi Enstitüsü'nde görev alan AgiloBat Projesi Teknik Direktörü Sebastian Henschel: "Bunun üretim ortamının sıcaklığıyla hiçbir ilgisi yok." Çiy noktası, nemin yoğunlaşması için havanın soğutulması gereken sıcaklığı belirtir. Dolayısıyla: Çiy noktası ne kadar düşükse hava o kadar kurudur. Henschel: "Hacim olarak -50 °C'lik bir çiy noktasında, bir milyon hava molekülünde 100'den az su molekülü bulunuyor" "Bu da yüzde birin çok altında bir bağıl neme denk geliyor."

KUKA robotlarının yardımıyla endüstriyel hassasiyet elde ederken, normalde yalnızca manuel üretimden elde edebileceğimiz düzeyde esnekliğe de ulaştık.

Sebastian Henschel, AgiloBat Teknik Direktörü, KIT

Yenilikçi otomasyon sayesinde insanlar proseslerden ayrılıyor

Belirleyici faktörlerden biri de çalışanlar: Henschel: "İnsanlar olarak yüzde 80'imiz sudan oluşuyor, bu da durumu çok daha zor hale getiriyor." Nicole Neub: "Ve dinlenirken dahi her saat en az 120 gram saf nem soluyoruz." "Bu nem düzeyleri, -50°C gibi dengeli bir çiy noktasını önemli ölçüde olumsuz etkiliyor." Üretim ortamını tam anlamıyla kuru hale getirmek için insanların mümkün olduğunca dışarıda tutulması gerekiyor. Exentec’in yaklaşımı ise şöyle: Nicole Neub: "Muhafaza imkanı sayesinde mini ortamımızda sürekli olarak insanları prosesten ayırabiliyoruz." "Elbette bu ancak tam otomatik çalışmayla mümkün." İşte tam da bu noktada KUKA robotları devreye giriyor.

İki adet KR SCARA ve KR CYBERTECH nano, mini ortamda son derece yüksek verimlilik ve hassasiyetle çalışıyor.

Müşterileri tatmin eden çok sayıda proje, KUKA'nın başarısını kanıtlıyor

AgiloBat kapsamında, proje yöneticilerinin eksiksiz memnuniyeti için dört adet KR CYBERTECH nano, bir adet KR 4 AGILUS ve hücre istifleme için iki adet KR SCARA kullanılmaktadır. KUKA İş Geliştirme Müdürü Thomas Schmidberger: "Batarya hücresi üreticileri, çalışanların çevre kirliliğini azaltmak ve üretim kalitesini artırmak için yıllardır kuru odalarda çok sayıda KUKA robotu kullanıyor." KUKA, kuru oda ortamlarına yönelik teknolojik gereklilikleriyle ilgili olarak bir süredir batarya üreticileriyle iletişim halinde. Schmidberger: "Müşterileri tatmin eden çok sayıda proje sayesinde ürünlerimizin kuru odalardaki gerekliliklerine oldukça aşinayız ve bunları önde gelen sektör uzmanlarıyla birlikte sürekli olarak analiz ediyoruz." Lider robot üreticilerinden KUKA, robotlarının kuru odalarda kullanım için sertifikasyonu üzerinde çalışıyor.

KIT araştırmacıları tarafından geliştirilen robot hücreleri, dünyada bir ilki temsil ediyor.

KUKA robotları kuru odalara özel zorlukların üstesinden geliyor

Kuru odada kullanım, robotlar için özel zorluklara neden olmaktadır. Aşırı düşük nem oranı ise daha fazla aşınmaya yol açabilmektedir. Bu durum de özellikle plastikleştirici içeren contalar veya kablo bağlantıları gibi malzemeler için geçerlidir: Kuru odada uzun süre boyunca kullanıldıklarında daha çabuk gözeneklenebilir, hatta kırılabilirler.

KUKA robotları, kuru odalarda karşılaşılan tüm zorlukların üstesinden geliyor.

Bununla birlikte yağlayıcı gresler gibi maddeler de su bileşenlerini kaybettikleri için işlevlerini yitirebilirler. KUKA'nın dikkate aldığı özel zorluklar: Augsburg'daki otomasyon uzmanları, 2020'den bu yana batarya hücresi üretiminde 10.000'den fazla robotla deneyim kazandı ve bu robotların 1.000'den fazlası kuru oda uygulamalarında kullanıldı. Müşteri geri bildirimi ise her zaman olumlu oldu.

Batarya hücresi üreticileri, çevre kirliliğini azaltmak ve üretim kalitesini artırmak amacıyla yıllardır kuru odalarda KUKA robotlarını kullanıyor.

Thomas Schmidberger, KUKA İş Geliştirme Müdürü

Tekrarlanabilirlik ve doğruluğun esneklikle buluşması

Ancak otomasyon ile mini ortamlarda üretim, batarya hücresi üretiminin yanı sıra birçok başka sektör için de cazip bir seçenek olarak öne çıkıyor: Exentec'ten Nicole Neub: "Bu husus özellikle de yarı iletken ve ilaç sektörleri için oldukça önemli." İKUKA'nın geniş ürün yelpazesinin avantajları işte tam olarak burada ortaya çıkıyor: Robotlar, çok yönlülükleri ve esneklikleri sayesinde tamamen farklı alanlarda, ürünlerde ve ortamlarda kullanılabiliyor.

KR CYBERTECH nano, sistemlere esnek bir şekilde uyum sağlıyor.

KIT'te yürütülen proje de bunu kanıtlıyor. AgiloBat Teknik Direktörü Sebastian Henschel: "Farklı üretim modülleri üzerinden farklı işlem adımlarını eşleştirip daha sonra bunları birbirine bağlayarak maksimum esnekliğe sahip bir sistem oluşturmak istedik." “KUKA robotları bu alanda ne kadar etkili olduklarını açıkça kanıtladılar. Bu robotların yardımıyla ulaştığımız endüstriyel tekrarlanabilirlik ve doğruluğu, normalde yalnızca manuel üretimden elde edebileceğimiz düzeyde esneklikle birleştirdik."

Küçük ve orta ölçekli şirketler için de cazip bir üretim çözümü

Bu özellikler KOBİ'ler için özellikle cazip olduğundan, AgiloBat'taki KIT ekibinin orta ölçekli makine ve tesis mühendisliği şirketleriyle iş birliği yapması kesinlikle tesadüf değil. Mini ortamlar ve otomasyon, şirketlerin kritik proses zinciri boyunca kuru oda üretim ortamlarında rekabetçi tesis teknolojisi sunmalarını sağlıyor. AgiloBat'tan elde edilen bulgular, batarya hücrelerini esnek bir şekilde üretmelerine ve küçük miktarda malzemeyle endüstriyel ölçekte üretim elde ederek yeni malzeme sistemlerini test etmelerine olanak tanıyor. Thomas Schmidberger: "Son olarak, batarya üretimindeki bu kimyasal işlem adımlarının kritik maddelerin kullanımını da kapsadığını unutmamalıyız." "Robot tabanlı otomasyonun mini ortamlarla birleştirilmesi, çalışanların sağlığını da koruyor.

KR CYBERTECH nano da tüm KUKA bileşenleri gibi AgiloBat projesindeki gereklilikleri karşılayarak tüm araştırmacıları memnun eden bir sonuç sunmuştur.

Mini ortamlarla insanların ve proseslerin tutarlı bir şekilde ayrılması sayesinde işletme maliyetleri önemli ölçüde azaltılabiliyor.

Nicole Neub, Exentec Batarya Teknolojisi Direktörü

İşletme maliyetlerinde ve kaynaklarda önemli tasarruflar

AgiloBat'ta kullanılan üretim süreçleri, iki açıdan önemli kaynak tasarrufu sağlayabiliyor: Öte yandan, geleneksel üretime kıyasla önemli ölçüde daha az enerji gerektiriyor. "Gigafactory'lerde toplam enerji ihtiyacının yüzde 25 ila 40’ı, kuru oda koşullarının oluşturulması için kullanılıyor. Nicole Neub: "Bunu yaparken kuru odada bulunan her bir kişinin neden olduğu nem girişine karşı sürekli kurutma yapıyoruz." “Mini ortamlar ve insanların ve süreçlerin tutarlı bir şekilde ayrılması bu rakamı ve dolayısıyla işletme maliyetlerini, yani OPEX'i önemli ölçüde azaltabilir.” Ve ikinci olarak, kullanılamaz ıskarta sayısı önemli ölçüde azalır: wbk'dan Sebastian Henschel: "Büyük tesisler çalışırken dahi atılması veya geri dönüştürülmesi gereken %15 - %20 oranında reddedilen malzeme oluşabiliyor." “Üretimi daha esnek hale getirerek bu kotayı önemli ölçüde azaltmak mümkün.” KUKA robotları da bunu mümkün kılıyor!