De la mobilité électrique à la technologie de communication et médicale, en passant par des outils intelligents ou des appareils ménagers : l'industrie a besoin de plus en plus de cellules de batterie. Cependant, leur production dans des gigafactories consomme d'énormes quantités d'énergie. De plus, les grandes lignes de production sont très peu flexibles. Une alternative possible a maintenant été testée avec succès à l'institut wbk pour la technologie de production du KIT. La voie : l'encapsulation des processus dans des mini-environnements. L'un des rôles principaux : les robots de KUKA.
L'avenir de la production de cellules de batterie : optimisé en énergie et flexible
À l'institut wbk pour la technologie de production de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), une production de batteries innovante est déjà réalisable. Pour la rendre plus flexible et efficace, des chercheurs ont mis en place une fabrication de cellules agile dans le cadre du projet AgiloBat : grâce à l'automatisation robotisée dans des mini-environnements, une flexibilité a été atteinte qui n'était auparavant possible que dans la fabrication manuelle. Grâce à des processus adaptables et des modifications de programme, diverses géométries de cellules peuvent être produites – sans avoir à reconfigurer l'installation de manière complexe !
Pour cela, les chercheurs ont développé des cellules robotiques spéciales, qui représentent une innovation mondiale en termes de conception et d'exécution. Elles ont été conçues et construites par Exentec Germany GmbH, une entreprise du groupe Exyte. Exyte, l'entreprise internationale basée à Stuttgart spécialisée dans la technique de bâtiment et la construction d'installations, conçoit, planifie et fournit des installations de fabrication durables et ultra-propres pour les industries de haute technologie, y compris les usines de semi-conducteurs et de batteries, les centres de données ou les installations pour l'industrie biopharmaceutique.
L'un des axes principaux d'Exentec est les salles blanches et sèches. Ou pour le dire avec les mots de Nicole Neub, directrice du département technologie des batteries chez Exentec : « Nous sommes responsables de l'air sec nécessaire dans le processus de fabrication des batteries. »
Chaque étape du processus dans un mini-environnement
Il est bien connu que l'air ambiant dans la production de cellules de batterie ne doit contenir que très peu d'humidité. Plus précisément : pour éviter l'oxydation ou l'inclusion d'humidité lors du traitement des matériaux sensibles des batteries, l'humidité relative de l'air est généralement inférieure à 1 %. En effet, une humidité relative plus élevée peut entraîner des problèmes de qualité ou même des défaillances critiques des batteries.
La sécheresse nécessaire est produite dans des mini-environnements appelés. « Cela consiste à encapsuler des étapes de production individuelles et les machines correspondantes, et à amener l'air filtré directement au processus », explique Nicole Neub. « Ainsi, seule la machine est alimentée en air propre et sec – et non un grand volume inutilisé dans l'atelier de production. » Dans la production industrielle en masse de cellules de batterie, des surfaces de production entières sont généralement exploitées comme salle sèche, ce qui n'est pas nécessaire pour des processus individuels et nécessite de grandes quantités d'énergie.
Dans le projet AgiloBat, cela se fait par des conteneurs de type caisse, dans lesquels un point de rosée allant jusqu'à -50 °C est atteint. « Cela n'a rien à voir avec la température de l'environnement de production », explique le responsable technique du projet AgiloBat, Sebastian Henschel de l'institut wbk pour la technologie de production du KIT. En fait, le point de rosée indique la température à laquelle l'air doit être refroidi pour que l'humidité se condense. En d'autres termes : plus le point de rosée est bas, plus l'air est sec. « À un point de rosée de -50 °C, il y a moins de 100 molécules d'eau pour un million de molécules d'air », souligne Henschel. « Cela correspond à une humidité relative de bien moins d'un pour cent. »
L'homme est séparé du processus – grâce à l'automatisation
Un facteur décisif est le personnel : « Nous, les humains, sommes composés à 80 % d'eau, ce qui est tout sauf utile dans un tel processus », déclare Henschel. « Et même lorsque nous sommes complètement au repos, nous expirons au moins 120 grammes d'humidité pure chaque heure », ajoute Nicole Neub. « Ce sont des quantités d'humidité qui influencent considérablement un point de rosée stable de par exemple -50 °C. » Pour rendre l'environnement de production suffisamment sec, il faut donc éloigner les personnes autant que possible.
C'est précisément l'approche d'Exentec : « Dans notre mini-environnement, nous séparons le personnel du processus grâce à l'encapsulation », explique Nicole Neub. « Cela n'est bien sûr possible que si le processus fonctionne de manière entièrement automatisée. » Et c'est là que les robots de KUKA entrent en jeu.
Dans le cadre d'AgiloBat, quatre KR CYBERTECH nano, un KR 4 AGILUS ainsi que, pour le stacking de cellules, deux KR SCARA sont utilisés – à la plus grande satisfaction des responsables du projet. « Les fabricants de cellules de batterie utilisent depuis des années des robots KUKA en grande quantité dans la salle sèche, afin de réduire la contamination de l'environnement par le personnel et d'améliorer la qualité de production », déclare Thomas Schmidberger, responsable du développement commercial chez KUKA. Chez KUKA, nous sommes en contact depuis un certain temps avec les producteurs de batteries concernant leurs exigences technologiques pour les environnements de salle sèche. « Les exigences concernant nos produits dans la salle sèche nous sont bien connues grâce à de nombreux projets clients réussis et sont continuellement analysées avec des experts de l'industrie de premier plan », souligne Schmidberger. En tant que fabricant de robots de premier plan, KUKA travaille à la certification des robots pour une utilisation en salle sèche.
Les robots de KUKA relèvent les défis particuliers de la salle sèche
Car l'utilisation en salle sèche pose des défis particuliers pour les robots. En effet, l'humidité de l'air extrêmement basse peut entraîner une usure accrue. Cela s'applique surtout aux matériaux contenant des plastifiants, tels que les joints ou les connexions de câbles : lors d'une utilisation prolongée en salle sèche, ils peuvent devenir poreux plus rapidement, et dans le pire des cas, même se casser. Mais même les graisses lubrifiantes peuvent perdre leur fonctionnalité car elles perdent des composants d'eau. Ce sont donc des défis spéciaux – qui sont pris en compte chez KUKA : depuis 2020, les experts en automatisation d'Augsbourg ont déjà accumulé de l'expérience avec plus de 10 000 robots dans la production de batteries, dont plus de 1 000 dans des applications en salle sèche. Les retours des clients sont systématiquement positifs.
Cependant, la production dans des mini-environnements grâce à l'automatisation n'est pas seulement intéressante pour la production de cellules de batterie, mais aussi pour de nombreux autres secteurs : « Dans le domaine des semi-conducteurs, ce sujet est essentiel, tout comme dans l'industrie pharmaceutique », rapporte Nicole Neub d'Exentec. Ici, les avantages de la large gamme de produits de KUKA se manifestent pleinement : grâce à leur polyvalence et leur flexibilité, les robots peuvent être utilisés dans des domaines, produits et environnements totalement différents.
Cela a également été prouvé par le projet au KIT : « Nous voulions établir un système maximal flexible en représentant différentes étapes de processus par différents modules de production et en les connectant ensuite », raconte le responsable technique d'AgiloBat, Sebastian Henschel. « Les robots de KUKA se sont avérés absolument fiables. Grâce à leur aide, nous avons atteint une répétabilité et une précision industrielles - associées à une flexibilité que nous ne connaissons autrement que dans l'artisanat. »
Possibilité de production attrayante, même pour les petites et moyennes entreprises
Ces caractéristiques sont particulièrement attrayantes pour les PME - ce n'est pas un hasard si l'équipe du KIT a collaboré avec des fabricants de machines et d'installations influencés par les entreprises de taille intermédiaire dans le cadre d'AgiloBat. Les mini-environnements et l'automatisation leur permettent d'offrir une technologie d'installation compétitive le long de la chaîne de processus critique dans des environnements de production pertinents pour les salles sèches. Les connaissances acquises grâce à AgiloBat leur permettent de fabriquer des cellules de batterie de manière flexible et d'expérimenter de nouveaux systèmes de matériaux grâce à une production proche de l'industrie avec de petites quantités de matériaux. « Enfin, nous ne devons pas oublier que dans ces étapes de processus chimiques de la production de batteries, des substances critiques sont manipulées », déclare Thomas Schmidberger. « L'automatisation basée sur des robots, associée à l'utilisation de mini-environnements, protège donc également la santé des employés. »
Surtout, les méthodes de production appliquées dans AgiloBat permettent d'économiser des ressources considérables - et ce de deux manières : D'une part, il faut beaucoup moins d'énergie que dans la production conventionnelle. « Dans les gigafactories, entre 25 et 40 % de l'ensemble des besoins énergétiques sont consacrés à la création de conditions de salle sèche. Et nous luttons constamment contre l'apport continu d'humidité de chaque personne présente dans la salle sèche », explique Nicole Neub. « Grâce aux mini-environnements et à la séparation stricte entre l'homme et le processus, nous pouvons réduire ce chiffre et donc aussi les coûts d'exploitation, c'est-à-dire les OPEX, de manière significative. » Et deuxièmement, le rebut non utilisable est considérablement réduit : « Dans les grandes installations, même lorsqu'elles sont en service, nous avons parfois 15 à 20 % de matériaux de rebut qui doivent être jetés ou recyclés », calcule Sebastian Henschel du wbk. « Nous pouvons également réduire considérablement ce taux grâce à la flexibilité de la production. » Les robots de KUKA rendent cela possible !
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