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微環境中的電池製造:實現乾燥室中的靈活自動化

無論是電動交通或通訊和醫療技術,還是智慧工具和家用電器:工業領域對單電池的需求愈來愈高,但在超級工廠內的電池製造過程難免消耗大量的能源。此外,大型生產線也非常不靈活。目前,卡爾斯魯厄理工學院 wbk 生產技術研究所已成功測試了一種可能的替代方案。這種方法是:在微環境中進行工藝封閉。KUKA的機器人在其中扮演了主要角色之一。


單電池製造的未來:節能的無塵室和乾燥室

在卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 的 wbk 生產技術研究所,人們已經可以體驗引領未來的電池製造技術。為了使電池製造過程更加靈活性和有效率,研究人員在 AgiloBat 專案中打造了一套靈活的鋰離子電池生產設施:藉由機器人輔助的環境自動化,實現了先前僅在小型工坊才有的靈活性。 
KR 4 AGILUS 在 KIT 的一個機器人工作單元中運作。

透過可客製化的製程與程式變更,乾燥室內可以生產各種不同幾何形狀的電池單元,同時不需要進行複雜的系統轉換。為此,研究人員開發了專用的機器人工作單元,其結構與設計皆為世界首創。這個工作單元是由 Exentec Germany GmbHExyte Group 旗下公司)所設計和打造。Exyte 是一家總部位於斯圖加特的國際建築服務和工廠工程公司,致力於為高科技行業設計、規劃和提供永續性超潔淨製造設施,包括半導體和電池工廠、資料中心以及生物製藥行業等。Exentec 的主要重點之一是無塵室和乾燥室。或者用 Exentec 電池技術總監 Nicole Neub 的話來說:「我們負責確保電池製造過程中所需的乾燥空氣供應。」

觀看此影片,瞭解迷你環境製程圍阻在現實中如何發揮作用。 

微環境中的每個流程步驟

眾所周知,電池生產過程中的環境空氣濕度必須非常低。確切地說:為了防止敏感電池材料在加工過程中氧化或混入水分,相對空氣濕度通常低於 1%。如果含量過高,則可能會導致品質出現問題,嚴重的話甚至導致電池故障。

機器人工作單元裡的相對濕度通常低於 1%。

製程中所需的乾燥空間是透過「微環境」來建置的。「在生產過程中,個別的製程步驟與相關機台會被包覆起來,並將經過過濾的空氣直接導入製程區域,」Nicole Neub 解釋道。「這表示只有機台本身會被供應潔淨乾燥的空氣,而不是整個生產廠房中大量未被使用的空氣區域。」

在電池單元的工業量產中,整個生產區域通常會被建置為乾燥室,但這對於某些製程步驟而言並非必要,且會消耗大量能源。

極度乾燥的空氣:製程圍阻實現目的

在 AgiloBat 專案中,這是透過使用類似容器的盒子來進行,其中的露點最高可達 -50 °C。「這與製造環境的溫度無關,」卡爾斯魯厄理工學院 wbk 生產工程研究所 AgiloBat 專案技術總監 Sebastian Henschel 解釋道。相反地,露點表示空氣必須冷卻到何種溫度才能使水分凝結。也就是說:露點越低,空氣越乾燥。「當露點溫度為 -50°C 時,以體積計算,每百萬個空氣分子中所含的水分子不足 100 個,」Henschel 解釋,「這相當於相對濕度遠低於百分之一。」

KUKA 機器人讓我們實現了工業領域所需的精準度,並且擁有僅從手工製造中才能獲得的靈活性。

Sebastian Henschel,KIT AgiloBat 技術總監

創新自動化技術將人員與流程分離

決定性因素之一是員工:Henschel 表示:「我們人類的身體有 80% 是由水組成,水在這類製程中一點好處都沒有。」「即使我們處於完全休息狀態,每小時也會呼出至少 120 克純水分,」Nicole Neub 補充道。這些水分量會對穩定的露點(例如 -50°C)產生顯著的負面影響。為了使製造環境真的保持乾燥,必須讓人員盡可能遠離。這正是 Exentec 的做法:「在微環境中,透過製程圍阻人員與流程完全隔離開來,」Nicole Neub 解釋,「當然,這只有完全自動化運作才有可能。」這正是 KUKA 機器人發揮作用的地方。
兩架 KR SCARA 和 KR CYBERTECH nano 在迷你型環境中協同工作,效率和精準度都極高。

眾多成功的客戶專案是 KUKA 的最佳代言

在 AgiloBat 專案中,使用了四架 KR CYBERTECH nano、一架 KR 4 AGILUS 以及兩架 KR SCARA (用於電池堆疊)——專案經理非常滿意。KUKA 業務發展經理 Thomas Schmidberger 表示:「多年來,電池製造商一直在乾燥室中大量使用 KUKA 機器人,以減少員工對環境的污染提高製程品質。」KUKA 已經與電池製造商交流了一段時間,以瞭解他們對乾燥室環境的技術要求。「我們從眾多成功的客戶專案中明確瞭解到對乾燥室對我們的產品有哪些要求,並與產業頂尖專家一起進行持續分析。」Schmidberger 強調。作為領先的機器人製造商,KUKA 正在致力於為其機器人獲得乾燥室使用認證。
卡爾斯魯厄理工學院研究人員開發的機器人工作單元成為世界首創。

KUKA 機器人克服乾燥室中的特殊挑戰

在乾燥室中使用機器人會為機器人帶來特殊的挑戰。極低的濕度會使得磨損率更高,尤其是含有塑化劑的材料,例如密封件電纜連接件:如果在乾燥室中長時間使用,它們會更快地變得多孔疏鬆,在最壞的情況下甚至會破裂。 
KUKA 機器人克服了乾燥室中的特殊挑戰。
此外,潤滑油也會因為失去水分而失去其功能。這些特殊挑戰,KUKA 都考慮到了:自 2020 年以來,來自奧格斯堡的自動化專家已累積了使用超過 10,000 架機器人進行單電池生產的經驗,其中包括 1,000 架用於乾燥室應用的機器人。客戶反應一貫是正面的

多年來,電池製造商一直在乾燥室中使用 KUKA 機器人來減少環境污染並提高製造品質。

KUKA 業務發展經理 Thomas Schmidberger

可重複性和精度結合靈活性

然而,在微環境中自動化生產不僅對電池製造有益處,對許多其他產業也能有所貢獻:Exentec 的 Nicole Neub 表示:「這個議題對於半導體產業以及製藥業都至關重要。」這就是 KUKA 廣泛的產品系列的優勢得以充分體現的地方:這些機器人的多功能性和靈活性,使其可以用於完全不同的領域、產品和環境。 

KR CYBERTECH nano 可以靈活地融入系統中。
KIT 的專案也證明了這一點:「我們希望利用不同的生產模組映射出不同的製程步驟,然後將它們相互連接起來,以建構出一個非常靈活的系統,」AgiloBat 技術總監 Sebastian Henschel 解釋道,「KUKA 機器人已經證明自己在這方面是絕對有效的。在它們的幫助下,我們實現了工業等級的可重複性和精度,以及我們僅從手工製造中才能獲得的靈活性。 」

對中小型企業也極具吸引力的製造方案

這些功能對中小型企業尤其有吸引力——AgiloBat 的 KIT 團隊與機械和工廠工程中型企業合作並非巧合。迷你環境和自動化使他們能夠在乾燥室相關的生產環境中的關鍵製程鏈中提供具有競爭力的工廠技術。AgiloBat 的研究成果使他們能夠靈活地製造單電池,並透用少量材料進行工業規模生產來測試新的材料系統。「畢竟,有一點我們不能忘記,電池製造過程中的這些化學製程步驟會涉及到使用危險物質,」Thomas Schmidberger 說,「將機器人輔助的自動化技術與迷你環境結合使用,也有助於保護員工的健康。」

與所有 KUKA 元件一樣,KR CYBERTECH nano 也滿足了 AgiloBat 專案的要求,研究人員非常滿意。 

透過微環境將人員和製造流程所處的空間完全分離,可以顯著降低營運成本。

Exentec 電池技術總監 Nicole Neub

明顯節省營運成本和資源

最重要的是,AgiloBat 所採用的製造流程可以在兩個方面節省大量資源:首先是比起傳統製程顯著減少能源用量。「在超級工廠中,25% 到 40% 的總能源需求用於創造乾燥室內的條件。在這個過程中,我們必須不斷地保持空氣乾燥,以抵禦乾燥室內每個人不斷帶入的水分,」Nicole Neub 解釋道,「透過迷你環境以及人員和流程的完全分離,可以顯著降低以上數字以及運行成本,即 OPEX。」其次,無法利用的廢棄物顯著減少:「即使大型工廠的運行已上了軌道,我們仍會有 15% 到 20% 的廢料需要丟棄或回收,」wbk 的 Sebastian Henschel 計算道,「我們也可以透過提高生產靈活性來大幅減少這一比例。」KUKA 機器人讓這一切成為可能!

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