Od E-mobility přes komunikační a medicínskou technologii až po chytré nástroje nebo domácí spotřebiče: Průmysl potřebuje stále více bateriových článků. Avšak jejich výroba v gigafactory spotřebovává obrovské množství energie. Kromě toho jsou velké výrobní linky velmi nepružné. Možná alternativa byla nyní úspěšně vyzkoušena na wbk Institutu pro výrobní techniku KIT. Cesta: procesní uzavření v mini prostředích. V jedné z hlavních rolí: roboty od KUKA.
Budoucnost výroby bateriových článků: energeticky optimalizovaná a flexibilní
Na wbk Institutu pro výrobní techniku Karlsruher Institutu technologie (KIT) je budoucí výroba baterií již nyní k dispozici. Aby byla tato výroba flexibilnější a efektivnější, vyvinuli vědci v rámci projektu AgiloBat agilní výrobu článků: Pomocí robotizované automatizace v mini prostředích byla dosažena flexibilita, která byla dosud možná pouze v manufaktuře. Díky přizpůsobitelným procesům a změnám programů je možné vyrábět různé geometrie článků – aniž by bylo nutné složitě přestavovat zařízení!
Pro tento účel vyvinuli vědci speciální robotické buňky, které představují světovou novinku z hlediska své struktury a provedení. Byly navrženy a vyrobeny společností Exentec Germany GmbH, která je součástí skupiny Exyte. Exyte, mezinárodní společnost se sídlem ve Stuttgartu, navrhuje, plánuje a vyrábí udržitelné a ultrarychlé výrobní zařízení pro vysoce technologické průmysly, včetně továren na polovodiče a baterie, datových center nebo zařízení pro biopharmaceutický průmysl.
Jedním z hlavních zaměření společnosti Exentec jsou čisté a suché prostory. Nebo abychom to řekli slovy Nicole Neub, ředitelky oddělení bateriové technologie ve společnosti Exentec: „Jsme zodpovědní za potřebný suchý vzduch v procesu výroby baterií.“
Každý procesní krok v mini prostředí
Jak je známo, vzduch v prostředí výroby bateriových článků může obsahovat pouze velmi málo vlhkosti. Přesněji řečeno: Aby při zpracování citlivých bateriových materiálů nedocházelo k oxidacím nebo vnikání vlhkosti, je relativní vlhkost vzduchu většinou nižší než 1 procento. Vyšší relativní vlhkost vzduchu může později vést k problémům s kvalitou nebo dokonce k kritickým selháním baterií.
Potřebná suchost se vytváří v tzv. mini-životních prostředích. „Přitom jsou jednotlivé procesní kroky výroby a příslušné stroje uzavřeny a filtrovaný vzduch je přiváděn přímo k procesu,“ vysvětluje Nicole Neub. „Tímto způsobem je skutečně zásobována pouze stroj čistým a suchým vzduchem – a nevyužívaným velkým objemem v výrobní hale.“ V průmyslové hromadné výrobě bateriových článků se obvykle celé výrobní plochy provozují jako sušárny, což pro jednotlivé procesy není nutné a vyžaduje to velké množství energie.
V projektu AgiloBat se to děje prostřednictvím kontejnerovým typem boxů, ve kterých panuje rosný bod až -50 °C. „To nemá nic společného s teplotou výrobního prostředí,“ vysvětluje technický vedoucí projektu AgiloBat Sebastian Henschel z wbk Institutu pro výrobní techniku KIT. Spíše rosný bod udává teplotu, na kterou musí být vzduch ochlazen, aby došlo ke kondenzaci vlhkosti. Jinými slovy: Čím nižší je rosný bod, tím sušší je vzduch. „Při rosného bodu -50 °C přichází na objem jednu milion vzdušných molekul méně než 100 molekul vody,“ zdůrazňuje Henschel. „To odpovídá relativní vlhkosti vzduchu daleko pod jedním procentem.“
Člověk je od procesu oddělen – díky automatizaci.
Rozhodujícím faktorem jsou přitom zaměstnanci: „My lidé jsme z 80 procent složeni z vody, což v takovém procesu rozhodně není nápomocné,“ říká Henschel. „A i když jsme v absolutním klidu, vydechujeme každou hodinu minimálně 120 gramů čisté vlhkosti,“ doplňuje Nicole Neub. „To jsou množství vlhkosti, která výrazně negativně ovlivňují stabilní rosný bod například -50 °C.“ Aby bylo možné výrobní prostředí správně vysušit, je tedy nutné co nejvíce oddělit lidi od tohoto prostředí.
Přesně to je přístup společnosti Exentec: „V našem mini-prostředí oddělujeme člověka od procesu důsledně pomocí uzavření,“ vysvětluje Nicole Neub. „To je samozřejmě možné pouze tehdy, když proces probíhá plně automatizovaně.“ A zde přicházejí do hry roboti od KUKA.
V rámci projektu AgiloBat jsou nasazeny čtyři KR CYBERTECH nano, jeden KR 4 AGILUS a pro skládání buněk dva KR SCARA – k plné spokojenosti projektových vedoucích. „Výrobci bateriových článků používají již několik let roboty KUKA ve velkém množství v suchých prostorách, aby snížili kontaminaci prostředí zaměstnanci a zvýšili kvalitu výroby,“ říká Thomas Schmidberger, manažer rozvoje podnikání ve společnosti KUKA. Ve společnosti KUKA jsou již delší dobu v kontaktu s výrobci baterií ohledně jejich technologických požadavků na prostředí suchých prostor. „Požadavky na naše produkty v suchých prostorách jsou nám z mnoha úspěšných zákaznických projektů velmi dobře známy a jsou neustále analyzovány spolu s předními odborníky z průmyslu,“ zdůrazňuje Schmidberger. Jako přední výrobce robotů pracuje KUKA na certifikaci robotů pro použití v suchých prostorách.
Roboti od KUKA zvládají zvláštní výzvy v suchém prostoru.
Nasazení v suchém prostředí přináší pro roboty zvláštní výzvy. Extrémně nízká vlhkost vzduchu může vést k vyššímu opotřebení. To platí zejména pro materiály, které obsahují změkčovadla, například těsnění nebo kabelové spoje: Při dlouhodobém používání v suchém prostředí se mohou rychleji stát porézními, v nejhorším případě dokonce prasknout. Ale i mazací tuky mohou ztratit svou funkčnost, protože ztrácejí vodní složky. Takže speciální výzvy – které jsou v KUKA zohledněny: Od roku 2020 získali odborníci na automatizaci z Augsburgu zkušenosti s více než 10 000 roboty v produkci baterií, z toho více než 1 000 v aplikacích v suchém prostředí. Odezva zákazníků je přitom jednoznačně pozitivní.
Ale výroba v mini prostředích pomocí automatizace není zajímavá pouze pro výrobu bateriových článků, ale také pro mnoho dalších odvětví: „V oblasti polovodičů je toto téma zásadní, stejně jako v farmaceutickém průmyslu,“ říká Nicole Neub z Exentec. Zde se plně projevují výhody širokého produktového portfolia společnosti KUKA: Díky jejich všestrannosti a flexibilitě lze roboty využívat pro zcela odlišné oblasti, produkty a prostředí.
To také prokázal projekt na KIT: „Chtěli jsme vybudovat maximálně flexibilní systém, v němž bychom různé procesní kroky zmapovali prostřednictvím různých výrobních modulů a následně je spojili,“ vypráví technický vedoucí pro AgiloBat Sebastian Henschel. „Roboti od KUKA se zde osvědčili naprosto. S jejich pomocí jsme dosáhli průmyslové opakovatelnosti a přesnosti – spojené s flexibilitou, kterou známe jinak pouze z ruční výroby.“
Atraktivní výrobní možnost, také pro malé a střední podniky
Tyto charakteristiky jsou obzvlášť atraktivní pro malé a střední podniky – není náhodou, že tým z KIT spolupracoval na AgiloBat s výrobci strojů a zařízení zaměřenými na střední podniky. Mini prostředí a automatizace jim umožňují nabídnout konkurenceschopnou technologii zařízení podél kritického procesního řetězce v rámci výrobních prostředí relevantních pro suché prostory. Znalosti z AgiloBat jim umožňují flexibilně vyrábět bateriové články a testovat nové materiálové systémy prostřednictvím průmyslové výroby s malými objemy materiálů. „Nakonec nesmíme zapomenout, že při těchto chemických procesních krocích výroby baterií se pracuje s kritickými látkami,“ říká Thomas Schmidberger. „Robotizovaná automatizace ve spojení s použitím mini prostředí tedy také chrání zdraví zaměstnanců.“
Především však lze díky výrobním metodám aplikovaným v AgiloBat ušetřit značné zdroje – a to ve dvou ohledech: Za prvé, je potřeba výrazně méně energie než při konvenční výrobě. „V gigafaktorech činí mezi 25 a 40 procent celkové energetické potřeby pouze výroba podmínek pro suché prostory. A přitom neustále vysušujeme proti kontinuálnímu přísunu vlhkosti od každého člověka v suchém prostoru,“ říká Nicole Neub. „Díky mini prostředím a tím pádem důslednému oddělení člověka a procesu lze tuto hodnotu a tím i provozní náklady, tedy OPEX, významně snížit.“ A za druhé, množství nevyužitelného odpadu se výrazně snižuje: „U velkých zařízení máme, i když jsou již uvedena do provozu, částečně 15 až 20 procent odpadu, který musí být vyhozen nebo recyklován,“ počítá Sebastian Henschel z wbk. „Tuto míru můžeme také díky flexibilizaci výroby výrazně snížit.“ Roboty od KUKA to umožňují!
Kontakt:
