Desde la movilidad eléctrica hasta la tecnología de comunicación y médica, pasando por herramientas inteligentes o electrodomésticos: la industria necesita cada vez más celdas de batería. Sin embargo, su producción en gigafábricas consume enormes cantidades de energía. Además, las grandes líneas de producción son muy inflexibles. Una posible alternativa se ha probado con éxito en el Instituto wbk de Tecnología de Producción del KIT. El camino: encapsulamiento de procesos en mini-entornos. En uno de los papeles principales: robots de KUKA.
El futuro de la producción de celdas de batería: optimizado en energía y flexible
En el Instituto wbk de Tecnología de Producción del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), la producción de baterías innovadoras ya es una realidad. Para hacerla más flexible y eficiente, los investigadores han construido una fabricación ágil de celdas en el marco del proyecto AgiloBat: con la ayuda de la automatización basada en robots en mini-entornos, se ha logrado una flexibilidad que antes solo era posible en la manufactura. A través de procesos ajustables y cambios de programación, se pueden fabricar diversas geometrías de celdas, ¡sin necesidad de reconfigurar la planta de manera complicada!
Para ello, los investigadores desarrollaron celdas de robots especiales que, en cuanto a su diseño y ejecución, representan una novedad mundial. Fueron concebidas y construidas por Exentec Germany GmbH, una empresa del grupo Exyte. Exyte, la empresa internacional con sede en Stuttgart para tecnología de edificios y construcción de plantas, diseña, planifica y proporciona instalaciones de fabricación sostenibles y ultralimpias para industrias de alta tecnología, incluidas fábricas de semiconductores y baterías, centros de datos o instalaciones para la industria biofarmacéutica.
Uno de los enfoques de Exentec son las salas limpias y secas. O, para decirlo con las palabras de Nicole Neub, directora del departamento de tecnología de baterías en Exentec: 'Nosotros somos responsables del aire seco necesario en el proceso de fabricación de baterías.'
Cada paso del proceso en un mini-entorno
Se sabe que el aire ambiente en la producción de celdas de batería solo puede contener muy poca humedad. Más precisamente: para evitar oxidaciones o inclusiones de humedad durante el procesamiento de los materiales sensibles de la batería, la humedad relativa del aire suele ser inferior al 1 por ciento. Porque una mayor humedad relativa puede llevar más tarde a problemas de calidad o incluso a fallos críticos de las baterías.
La sequedad necesaria se produce en llamados mini-entornos. 'En este caso, se encapsulan pasos individuales del proceso de producción y las máquinas correspondientes, y el aire filtrado se lleva directamente al proceso', explica Nicole Neub. 'De este modo, solo la máquina recibe aire limpio y seco, y no un gran volumen no utilizado en el taller de producción.' En la producción industrial en masa de celdas de batería, a menudo se operan áreas de producción completas como salas secas, lo que no es necesario para procesos individuales y consume grandes cantidades de energía.
En el proyecto AgiloBat, esto se logra mediante cajas tipo contenedor, en las que hay un punto de rocío de hasta -50 °C. 'Esto no tiene nada que ver con la temperatura del entorno de producción', explica el director técnico del proyecto AgiloBat, Sebastian Henschel del Instituto wbk de Tecnología de Producción del KIT. Más bien, el punto de rocío indica la temperatura a la que el aire debe ser enfriado para que la humedad se condense. Es decir: cuanto más bajo sea el punto de rocío, más seco estará el aire. 'Con un punto de rocío de -50 °C, hay menos de 100 moléculas de agua por cada millón de moléculas de aire', aclara Henschel. 'Esto corresponde a una humedad relativa de muy por debajo del uno por ciento.'
El ser humano se separa del proceso, gracias a la automatización
Un factor decisivo son los empleados: 'Nosotros los humanos consistimos en un 80 por ciento de agua, lo cual no es nada útil en un proceso así', dice Henschel. 'Y aun cuando estemos en absoluta calma, exhalamos al menos 120 gramos de pura humedad cada hora', añade Nicole Neub. 'Estas son cantidades de humedad que afectan negativamente un punto de rocío estable de, por ejemplo, -50 °C.' Por lo tanto, para mantener el entorno de producción adecuadamente seco, se debe mantener a las personas fuera de él tanto como sea posible.
Ese es precisamente el enfoque de Exentec: 'En nuestro mini-entorno, separamos al ser humano del proceso mediante la encapsulación', explica Nicole Neub. 'Esto solo es posible si el proceso funciona de manera totalmente automatizada.' Y aquí es donde entran en juego los robots de KUKA.
En el marco de AgiloBat, se utilizan cuatro KR CYBERTECH nano, un KR 4 AGILUS y, para el apilamiento de celdas, dos KR SCARA, para la plena satisfacción de los responsables del proyecto. 'Los fabricantes de celdas de batería han estado utilizando robots KUKA en grandes cantidades en la sala seca durante años, para reducir la contaminación del entorno por parte de los empleados y mejorar la calidad de producción', dice Thomas Schmidberger, gerente de desarrollo de negocios en KUKA. En KUKA, se ha estado en contacto con los productores de baterías sobre sus requisitos tecnológicos para entornos de sala seca desde hace algún tiempo. 'Los requisitos para nuestros productos en la sala seca son bien conocidos a partir de numerosos proyectos exitosos con clientes y se analizan continuamente junto con expertos de la industria líderes', enfatiza Schmidberger. Como fabricante líder de robots, KUKA está trabajando en la certificación de los robots para su uso en la sala seca.
Los robots de KUKA superan los desafíos especiales en la sala seca
Porque el uso en la sala seca presenta desafíos especiales para los robots. La extremadamente baja humedad del aire puede llevar a un mayor desgaste. Esto es especialmente cierto para materiales que contienen plastificantes, como juntas o conexiones de cables: en aplicaciones a largo plazo en la sala seca, pueden volverse más porosos más rápidamente, y en el peor de los casos, incluso romperse. Pero también los aceites lubricantes, por ejemplo, pueden perder funcionalidad porque pierden componentes de agua. Desafíos especiales, por lo tanto, que KUKA tiene en cuenta: desde 2020, los expertos en automatización de Augsburgo han acumulado experiencia con más de 10,000 robots en la producción de baterías, de los cuales más de 1,000 en aplicaciones de sala seca. La respuesta de los clientes ha sido en general positiva.
Sin embargo, la producción en mini-entornos mediante automatización no solo es interesante para la producción de celdas de batería, sino también para muchas otras industrias: "En el ámbito de los semiconductores, el tema es esencial, al igual que en la industria farmacéutica", informa Nicole Neub de Exentec. Aquí es donde se manifiestan plenamente las ventajas de la amplia gama de productos de KUKA: gracias a su versatilidad y flexibilidad, los robots se pueden utilizar en áreas, productos y entornos completamente diferentes.
Esto también lo ha demostrado el proyecto en el KIT: "Queríamos construir un sistema máximo flexible, en el que representáramos diferentes pasos de proceso a través de diferentes módulos de producción y luego los conectáramos", cuenta el director técnico de AgiloBat, Sebastian Henschel. "Los robots de KUKA han demostrado ser absolutamente confiables. Con su ayuda, hemos alcanzado repetibilidad y precisión industrial, combinadas con una flexibilidad que solo conocemos de la fabricación manual."
Oportunidad de producción atractiva, también para pequeñas y medianas empresas
Estas características son especialmente atractivas para las PYME - no es casualidad que el equipo del KIT haya trabajado con fabricantes de maquinaria y plantas de influencia mediana en AgiloBat. Los mini-entornos y la automatización les permiten ofrecer una tecnología de planta competitiva a lo largo de la cadena de proceso crítica dentro de entornos de producción relevantes para salas secas. Los conocimientos adquiridos en AgiloBat les permiten fabricar celdas de batería de manera flexible y probar nuevos sistemas de materiales mediante una producción cercana a la industria con pequeñas cantidades de material. "Finalmente, no debemos olvidar que en estos pasos de proceso químicos de la producción de baterías se trabaja con sustancias críticas", dice Thomas Schmidberger. "La automatización basada en robots, junto con el uso de mini-entornos, también protege la salud de los empleados."
Sobre todo, pero se pueden ahorrar recursos significativos mediante los métodos de producción aplicados en AgiloBat - y en dos aspectos: Por un lado, se necesita significativamente menos energía que en la producción convencional. "En las gigafábricas, entre el 25 y el 40 por ciento del total de la demanda de energía se destina únicamente a crear condiciones de sala seca. Y mientras tanto, estamos secando constantemente contra la entrada continua de humedad de cada persona presente en la sala seca", dice Nicole Neub. "A través de mini-entornos y, por lo tanto, la separación constante entre humanos y procesos, se puede reducir significativamente esta cifra y, por ende, también los costos operativos, es decir, el OPEX." Y en segundo lugar, se reduce considerablemente el desecho no utilizable: "En las grandes instalaciones, incluso cuando están en funcionamiento, a veces tenemos entre el 15 y el 20 por ciento de material de desecho que debe ser desechado o reciclado", calcula Sebastian Henschel del wbk. "También podemos reducir esta tasa significativamente mediante la flexibilización de la producción." ¡Los robots de KUKA lo hacen posible!
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