Sản Xuất Pin Trong Môi Trường Thu Nhỏ: Tự Động Hóa Linh Hoạt Trong Phòng Khô

Từ xe điện cho đến công nghệ truyền thông và y tế cho đến các công cụ thông minh và thiết bị gia dụng: Ngành công nghiệp này cần ngày càng nhiều pin hơn. Nhưng việc sản xuất chúng tại các nhà máy khổng lồ lại tiêu thụ một lượng năng lượng rất lớn. Ngoài ra, các dây chuyền sản xuất lớn thường rất thiếu linh hoạt. Một giải pháp thay thế khả thi hiện đã được thử nghiệm thành công tại Viện Kỹ thuật Sản xuất wbk thuộc Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT). Cách thức: Quá trình khép kín trong môi trường nhỏ. Một trong những vai trò chính: Rô-bốt từ KUKA.

Tương lai của ngành sản xuất pin: phòng sạch và khô tiết kiệm năng lượng

Tại Viện Công nghệ Sản xuất wbk thuộc Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT), việc sản xuất pin hướng đến tương lai đã có thể được trải nghiệm. Để làm cho chúng linh hoạt và hiệu quả hơn, các nhà nghiên cứu đã thiết lập một dây chuyền sản xuất dạng ô nhanh nhẹn cho pin lithium-ion như một phần của dự án AgiloBat: Với sự trợ giúp của tự động hóa trong môi trường thu nhỏ dựa trên rô-bốt, dây chuyền đã đạt được đến mức độ linh hoạt nhất định mà trước đây chỉ có thể đạt được trong sản xuất.

KR 4 AGILUS đang hoạt động trong một trong các ô rô-bốt tại KIT.

Thông qua các quy trình thích ứng và thay đổi chương trình, nhiều loại hình dạng ô có thể được sản xuất trong phòng khô – mà không cần phải chuyển đổi hệ thống phức tạp. Với mục đích này, các nhà nghiên cứu đã phát triển các ô rô-bốt đặc biệt, đây là những thiết kế và cấu trúc lần đầu tiên xuất hiện trên thế giới. Chúng được thiết kế và xây dựng bởi công ty TNHH Exentec Germany, một công ty con của Exyte Group. Exyte, công ty quốc tế có trụ sở tại Stuttgart về dịch vụ xây dựng và kỹ thuật nhà máy, thiết kế, lập kế hoạch và cung cấp các cơ sở sản xuất bền vững và siêu sạch cho các ngành công nghiệp công nghệ cao, bao gồm nhà máy sản xuất chất bán dẫn và pin, trung tâm dữ liệu và cơ sở cho ngành công nghiệp dược phẩm sinh học. Một trong những trọng tâm chính của Exentec là phòng sạch và khô. Hay theo lời của Nicole Neub, Giám đốc Công nghệ Pin tại Exentec: “Chúng tôi chịu trách nhiệm cung cấp không khí khô cần thiết trong quá trình sản xuất pin.”

Từng bước sản xuất trong một môi trường thu nhỏ

Như chúng ta đã biết, không khí xung quanh trong quá trình sản xuất pin phải có độ ẩm rất thấp. Chính xác hơn thì: Để ngăn ngừa quá trình oxy hóa hoặc độ ẩm xâm nhập trong quá trình xử lý vật liệu pin nhạy cảm, độ ẩm tương đối thường nhỏ hơn 1 phần trăm. Nếu cao hơn, về sau có thể dẫn đến các vấn đề về chất lượng hoặc thậm chí là gây hư hỏng pin nghiêm trọng.

Độ ẩm tương đối trong các ô rô-bốt thường nhỏ hơn 1 phần trăm.

Độ khô cần thiết được tạo ra trong cái gọi là môi trường thu nhỏ. Nicole Neub giải thích: “Trong quy trình này, các bước sản xuất riêng lẻ và các máy móc liên quan là hoàn toàn khép kín và không khí đã lọc được đưa trực tiếp vào quy trình”. “Điều này có nghĩa là chỉ có máy móc được cung cấp không khí sạch và khô – và không tồn đọng lượng lớn không khí dư thừa trong phòng sản xuất.” Trong quá trình sản xuất pin hàng loạt theo quy trình công nghiệp, toàn bộ khu vực sản xuất thường được vận hành như trong phòng khô, điều này không cần thiết cho từng quy trình riêng lẻ và cũng đòi hỏi lượng năng lượng lớn.

Không khí cực kỳ khô: Quá trình khép kín giúp hiện thực hóa điều này

Trong dự án AgiloBat, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các hộp giống như thùng container có điểm sương lên tới -50 °C. “Điều này không liên quan gì đến nhiệt độ của môi trường sản xuất”, Sebastian Henschel, Giám đốc Kỹ thuật của dự án AgiloBat từ Viện Kỹ thuật Sản xuất wbk tại KIT giải thích. Thay vào đó, điểm sương sẽ chỉ ra nhiệt độ mà không khí phải được làm mát tới đó để hơi ẩm có thể ngưng tụ. Người ta thường nói: Điểm sương càng thấp, không khí càng khô. Henschel giải thích: “Ở điểm sương -50 °C, theo thể tích, có ít hơn 100 phân tử nước trên một triệu phân tử không khí”. “Điều đó tương ứng với độ ẩm tương đối dưới một phần trăm.”

Với sự trợ giúp của rô-bốt KUKA, chúng tôi đã đạt được độ chính xác công nghiệp – với sự linh hoạt mà chúng tôi chỉ có thể có được khi sản xuất thủ công.

Sebastian Henschel, Giám đốc Kỹ thuật của AgiloBat tại KIT

Con người được tách biệt khỏi quy trình – nhờ vào tự động hóa sáng tạo

Một yếu tố quyết định là nhân viên: Henschel cho biết: “Con người chúng ta có 80 phần trăm là nước, điều này không hề có lợi cho quá trình này”. Nicole Neub giải thích thêm: “Ngay cả khi chúng ta hoàn toàn nghỉ ngơi, chúng ta vẫn thở ra ít nhất 120 gam hơi ẩm nguyên chất mỗi giờ”. “Đây là lượng độ ẩm có ảnh hưởng vô cùng tiêu cực đến điểm sương ổn định, ví dụ như -50 °C.” Để làm cho môi trường sản xuất thực sự khô ráo, con người phải tránh xa môi trường đó càng nhiều càng tốt. Đây chính xác là cách tiếp cận của Exentec: Nicole Neub giải thích: “Trong môi trường thu nhỏ của mình, chúng tôi luôn tách biệt con người khỏi quy trình nhờ có sự khép kín”. “Tất nhiên, điều này chỉ có thể thực hiện được nếu môi trường được vận hành hoàn toàn tự động.” Và đây chính là lúc rô-bốt KUKA phát huy tác dụng.

Hai rô-bốt KR SCARA và KR CYBERTECH nano hoạt động cùng nhau trong môi trường thu nhỏ với hiệu suất và độ chính xác cực cao.

Nhiều dự án thành công của khách hàng là minh chứng cho KUKA

Trong khuôn khổ của AgiloBat, bốn rô-bốt KR CYBERTECH nano, một rô-bốt KR 4 AGILUS và, để xếp chồng ô, hai rô-bốt KR SCARA được sử dụng – để hoàn toàn làm hài lòng các nhà quản lý dự án. Thomas Schmidberger, Giám đốc Phát triển Kinh doanh tại KUKA cho biết: “Các nhà sản xuất pin đã sử dụng rô-bốt KUKA với số lượng lớn trong các phòng khô trong nhiều năm để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do nhân viên gây ra và tăng chất lượng sản xuất”. Trong một thời gian dài, KUKA đã trao đổi với các nhà sản xuất pin liên quan đến yêu cầu công nghệ của họ đối với môi trường phòng khô. “Chúng tôi đã nắm rõ các yêu cầu đối với sản phẩm trong phòng khô của mình thông qua nhiều dự án thành công của khách hàng và liên tục phân tích chúng cùng với các chuyên gia hàng đầu trong ngành,” Schmidberger nhấn mạnh. Là nhà sản xuất rô-bốt hàng đầu, KUKA đang nỗ lực cấp chứng nhận cho rô-bốt của mình để sử dụng trong phòng khô.

Các ô rô-bốt do các nhà nghiên cứu tại KIT phát triển là sản phẩm đầu tiên trên thế giới.

Rô-bốt KUKA vượt qua những thử thách đặc biệt trong phòng khô

Bởi vì việc sử dụng trong phòng khô đặt ra những thách thức đặc biệt cho rô-bốt. Độ ẩm cực thấp có thể dẫn đến mài mòn nhiều hơn. Điều này đặc biệt áp dụng cho các vật liệu có chứa chất hóa dẻo, chẳng hạn như các vòng đệm hoặc đầu nối dây cáp: Nếu sử dụng lâu dài trong phòng khô, chúng có thể nhanh chóng bị xốp và trong trường hợp xấu nhất, thậm chí có thể bị vỡ.

Một ví dụ khác là mỡ bôi trơn, cũng có thể mất tác dụng vì chúng mất đi thành phần nước. Những thách thức đặc biệt – mà KUKA tính đến: Kể từ năm 2020, các chuyên gia tự động hóa từ Augsburg đã tích lũy kinh nghiệm với hơn 10.000 rô-bốt trong sản xuất pin, bao gồm hơn 1.000 rô-bốt trong các ứng dụng phòng khô. Phản hồi của khách hàng luôn tích cực.

Các nhà sản xuất pin đã sử dụng rô-bốt KUKA trong phòng khô trong nhiều năm để giảm ô nhiễm môi trường và tăng chất lượng sản xuất.

Thomas Schmidberger, Giám đốc Phát triển Kinh doanh tại KUKA

Khả năng lặp lại và độ chính xác đáp ứng tính linh hoạt

Tuy nhiên, sản xuất trong môi trường thu nhỏ bằng cách sử dụng tự động hóa không chỉ phù hợp đối với sản xuất pin mà còn đối với nhiều ngành công nghiệp khác: Nicole Neub từ Exentec báo cáo rằng: “Chủ đề này rất cần thiết trong ngành bán dẫn cũng như trong ngành dược phẩm”. Đây chính là nơi mà những lợi thế có trong dòng sản phẩm rộng lớn của KUKA phát huy tác dụng hoàn toàn: Nhờ vào tính linh hoạt và đa năng, rô-bốt có thể được sử dụng cho nhiều lĩnh vực, sản phẩm và môi trường hoàn toàn khác nhau.

KR CYBERTECH nano có thể lắp đặt linh hoạt vào hệ thống.

Dự án tại KIT cũng đã chứng minh điều này: Sebastian Henschel, Giám đốc Kỹ thuật của AgiloBat giải thích: “Chúng tôi muốn xây dựng một hệ thống linh hoạt tối đa bằng cách lập bản đồ các bước sản xuất khác nhau thông qua các mô-đun sản xuất khác nhau rồi kết nối chúng với nhau”. “Rô-bốt KUKA đã chứng minh được tính hiệu quả tuyệt đối trong vấn đề này. Với sự giúp đỡ của những rô-bốt này, chúng tôi đã đạt được khả năng lặp lại và độ chính xác trong công nghiệp – kết hợp với tính linh hoạt mà chúng tôi chỉ có thể có được khi sản xuất thủ công.”

Một giải pháp hấp dẫn cho cả các doanh nghiệp vừa và nhỏ

Những tính năng này đặc biệt hấp dẫn đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SME) – không phải ngẫu nhiên mà đội ngũ của KIT tại AgiloBat đã và đang hợp tác với các công ty cơ khí và kỹ thuật nhà máy cỡ vừa. Môi trường nhỏ và tự động hóa cho phép họ cung cấp công nghệ nhà máy cạnh tranh dọc theo chuỗi quy trình quan trọng trong môi trường sản xuất liên quan đến phòng khô. Những phát hiện từ AgiloBat cho phép họ sản xuất cell pin linh hoạt và thử nghiệm các hệ thống vật liệu mới thông qua sản xuất quy mô công nghiệp với số lượng vật liệu nhỏ. “Cuối cùng, chúng ta không được quên rằng các bước xử lý hóa học trong sản xuất pin sẽ liên quan đến việc sử dụng các chất nguy hiểm”, Thomas Schmidberger cho biết. “Tự động hóa bằng rô-bốt kết hợp với việc sử dụng môi trường thu nhỏ cũng bảo vệ sức khỏe của nhân viên.”

Giống như tất cả các thành phần KUKA, KR CYBERTECH nano cũng đáp ứng các yêu cầu trong dự án AgiloBat khiến các nhà nghiên cứu hoàn toàn hài lòng.

Thông qua môi trường nhỏ và sự tách biệt nhất quán giữa con người và quy trình, chi phí vận hành có thể được giảm đáng kể.

Nicole Neub, Giám đốc Công nghệ Pin tại Exentec

Tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành và tài nguyên

Trên hết, các quy trình sản xuất được sử dụng tại AgiloBat có thể tiết kiệm nhiều tài nguyên đáng kể – theo hai khía cạnh: Một mặt, nó đòi hỏi ít năng lượng hơn nhiều so với sản xuất thông thường. “Tại các nhà máy khổng lồ, từ 25 đến 40 phần trăm tổng nhu cầu năng lượng được sử dụng để tạo ra điều kiện phòng khô. Và khi làm như vậy, chúng tôi có thể liên tục kiểm soát độ khô dựa trên lượng hơi ẩm liên tục được cung cấp từ mọi người trong phòng khô”, Nicole Neub cho biết. “Thông qua các môi trường thu nhỏ và sự tách biệt nhất quán giữa con người và quy trình, con số này cũng như chi phí vận hành, tức là OPEX, có thể được giảm đáng kể.” Và thứ hai, chất thải không sử dụng được giảm đáng kể: Sebastian Henschel từ wbk tính toán rằng: “Ngay cả khi các nhà máy lớn đang hoạt động, đôi khi chúng tôi vẫn có 15 đến 20 phần trăm vật liệu thải phải bị vứt bỏ hoặc tái chế”. “Chúng ta cũng có thể giảm đáng kể hạn ngạch này bằng cách làm cho sản xuất linh hoạt hơn.” Rô-bốt KUKA có thể biến điều đó thành hiện thực!