Od E-mobilnosti preko komunikacijske i medicinske tehnologije do pametnih alata ili kućanskih aparata: Industrija sve više treba baterijskih ćelija. No, njihova proizvodnja u gigafabrikama troši ogromne količine energije. Osim toga, velike proizvodne linije su vrlo nefleksibilne. Moguća alternativa je sada uspješno testirana na wbk Institutu za proizvodnu tehnologiju KIT-a. Put: procesna kućica u mini-okruženjima. U jednoj od glavnih uloga: roboti KUKA.
Budućnost proizvodnje baterijskih ćelija: energetski optimizirana i fleksibilna
Na wbk Institutu za proizvodnu tehnologiju Karlsruškog instituta za tehnologiju (KIT) buduća proizvodnja baterija već je sada opipljiva. Kako bi je učinili fleksibilnijom i učinkovitijom, istraživači su u okviru projekta AgiloBat izgradili agilnu proizvodnju ćelija: Pomoću robotizirane automatizacije u mini-okruženjima postignuta je fleksibilnost koja je do sada bila moguća samo u manufakturi. Kroz prilagodljive procese i promjene programa mogu se proizvoditi razne geometrije ćelija – bez skupog preuređivanja postrojenja!
Za to su istraživači razvili posebne robotske ćelije koje predstavljaju svjetsku novost u pogledu svoje strukture i izvedbe. Koncipirali i izgradili su ih Exentec Germany GmbH, kompanija iz Exyte grupe. Exyte, međunarodna kompanija sa sjedištem u Stuttgartu za građevinsku tehnologiju i inženjering, dizajnira, planira i proizvodi održive i ultračiste proizvodne sustave za visoke tehnologije, uključujući tvornice poluvodiča i baterija, podatkovne centre ili postrojenja za biopharma-industriju.
Jedan od fokusa Exenteca su čiste i suhe prostorije. Ili, da citiramo Nicole Neub, direktoricu odjela za tehnologiju baterija u Exentecu: 'Mi smo odgovorni za potrebnu suhu zrak u procesu proizvodnje baterija.'
Svaki korak procesa u mini-okruženju
Poznato je da zrak u proizvodnji baterijskih ćelija može sadržavati vrlo malo vlažnosti. Točnije: Da bi se spriječila oksidacija ili uključivanje vlage tijekom obrade osjetljivih materijala za baterije, relativna vlažnost zraka obično iznosi manje od 1 posto. Jer viša relativna vlažnost može kasnije dovesti do problema s kvalitetom ili čak kritičnih kvarova baterija.
Potrebna suhoća proizvodi se u takozvanim mini-okruženjima. 'Pri tome se pojedini koraci proizvodnje i pripadajući strojevi kuće i filtrirani zrak se direktno dovodi do procesa', objašnjava Nicole Neub. 'Time se stvarno samo stroj opskrbljuje čistim i suhim zrakom – a ne neiskorištenim velikim volumenom u proizvodnoj hali.' U industrijskoj masovnoj proizvodnji baterijskih ćelija obično se cijeli proizvodni prostori koriste kao suhi prostor, što nije potrebno za pojedine procese i troši velike količine energije.
U projektu AgiloBat to se događa kroz kontejnerske kutije u kojima vlada točka rosišta do -50 °C. 'To nema veze s temperaturom proizvodnog okruženja', objašnjava tehnički voditelj projekta AgiloBat Sebastian Henschel iz wbk Instituta za proizvodnu tehnologiju KIT-a. Umjesto toga, točka rosišta označava temperaturu na koju se zrak mora ohladiti kako bi se vlaga kondenzirala. Drugim riječima: Što je niža točka rosišta, to je zrak sušniji. 'Pri točki rosišta od -50 °C dolazi na milijun molekula zraka manje od 100 molekula vode', naglašava Henschel. 'To odgovara relativnoj vlažnosti daleko ispod jednog posto.'
Čovjek je odvojen od procesa – zahvaljujući automatizaciji
Jedan od ključnih faktora su zaposlenici: 'Mi ljudi se sastojimo od 80 posto vode, što u takvom procesu nije nimalo korisno', kaže Henschel. 'I čak i kada se nalazimo u apsolutnom miru, izdišemo svake sata najmanje 120 grama čiste vlage', dodaje Nicole Neub. 'To su količine vlage koje značajno negativno utječu na stabilnu točku rosišta od primjerice -50 °C.' Kako bi se proizvodno okruženje pravilno osušilo, potrebno je ljude držati što dalje od njega.
To je upravo pristup Exenteca: 'U našem mini-okruženju odvojimo ljude od procesa kroz kućicu', objašnjava Nicole Neub. 'To je naravno moguće samo ako proces radi potpuno automatizirano.' I ovdje dolaze roboti KUKA.
U okviru AgiloBat koristi se četiri KR CYBERTECH nano, jedan KR 4 AGILUS, te za staklenje ćelija, dva KR SCARA – na zadovoljstvo projektnih voditelja. 'Proizvođači baterijskih ćelija godinama koriste KUKA robote u velikim količinama u suhom prostoru kako bi smanjili kontaminaciju okoline od strane zaposlenika i povećali kvalitetu proizvodnje', kaže Thomas Schmidberger, menadžer za poslovni razvoj u KUKA. U KUKA su već neko vrijeme u kontaktu s proizvođačima baterija u vezi s njihovim tehnološkim zahtjevima za suhe prostore. 'Zahtjevi za naše proizvode u suhom prostoru su nam poznati iz brojnih uspješnih projekata s kupcima i kontinuirano se analiziraju zajedno s vodećim industrijskim stručnjacima', naglašava Schmidberger. Kao vodeći proizvođač robota, KUKA radi na certifikaciji robota za upotrebu u suhom prostoru.
Roboti KUKA savladavaju posebne izazove u suhom prostoru
Jer upotreba u suhom prostoru donosi posebne izazove za robote. Tako ekstremno niska vlažnost zraka može dovesti do većeg trošenja. To se posebno odnosi na materijale koji sadrže omekšivače, poput brtvila ili kablovskih veza: Pri dugotrajnoj primjeni u suhom prostoru mogu brže postati porozni, u najgorem slučaju čak i puknuti. Ali i maziva mogu izgubiti funkcionalnost jer gube vodene sastojke. Dakle, posebni izazovi – koje KUKA uzima u obzir: Od 2020. godine, stručnjaci za automatizaciju iz Augsburga već su stekli iskustvo s više od 10.000 robota u proizvodnji baterija, od kojih je više od 1.000 u primjenama u suhom prostoru. Odziv kupaca je pritom uvijek pozitivan.
No, proizvodnja u mini-okruženjima putem automatizacije nije zanimljiva samo za proizvodnju baterijskih ćelija, već i za mnoge druge industrije: „U području poluvodiča ova tema je bitna, kao i u farmaceutskoj industriji“, izvještava Nicole Neub iz Exenteca. Ovdje dolaze do izražaja prednosti širokog asortimana KUKA: Zbog njihove svestranosti i fleksibilnosti, roboti se mogu koristiti za potpuno različita područja, proizvode i okruženja.
To je također dokazao projekt na KIT-u: „Željeli smo izgraditi maksimalno fleksibilan sustav, u kojem ćemo različite procesne korake prikazati kroz različite proizvodne module i zatim ih povezati“, priča tehnički voditelj za AgiloBat Sebastian Henschel. „Ovdje su se roboti KUKA pokazali apsolutno pouzdani. Uz njihovu pomoć postigli smo industrijsku ponovljivost i preciznost – povezanu s fleksibilnošću koju inače poznajemo samo iz ručne proizvodnje.“
Atraktivna mogućnost proizvodnje, čak i za mala i srednja poduzeća
Ove karakteristike su posebno atraktivne za MSP – nije slučajno da je tim s KIT-a surađivao s proizvođačima strojeva i postrojenja srednje veličine u AgiloBatu. Mini-okruženja i automatizacija omogućuju im da ponude konkurentnu tehnologiju postrojenja duž kritične procesne linije unutar proizvodnih okruženja relevantnih za suhe prostore. Spoznaje iz AgiloBata omogućuju im da fleksibilno proizvode baterijske ćelije i testiraju nove materijalne sustave kroz industrijski blisku proizvodnju s malim količinama materijala. „Na kraju, ne smijemo zaboraviti da se u ovim kemijskim procesnim koracima proizvodnje baterija radi s kritičnim tvarima“, kaže Thomas Schmidberger. „Robotizirana automatizacija u kombinaciji s korištenjem mini-okruženja također štiti zdravlje zaposlenika.“
Prije svega, kroz proizvodne procese primijenjene u AgiloBatu mogu se značajno uštedjeti resursi – i to na dva načina: S jedne strane, potrebno je znatno manje energije nego u konvencionalnoj proizvodnji. „U gigafactoryjima između 25 i 40 posto ukupne potrošnje energije odlazi samo na stvaranje uvjeta suhog prostora. A pritom konstantno sušimo protiv kontinuiranog unosa vlage svake osobe koja se nalazi u suhom prostoru“, kaže Nicole Neub. „Kroz mini-okruženja i dosljednu odvojenost između čovjeka i procesa, ove brojke i time i tekući troškovi, odnosno OPEX, mogu se značajno smanjiti.“ A drugo, neupotrebljivi otpad se značajno smanjuje: „Kod velikih postrojenja imamo, čak i kada su u pogonu, dijelom 15 do 20 posto materijala otpada koji se mora baciti ili reciklirati“, izračunava Sebastian Henschel iz wbk-a. „Ovu stopu također možemo značajno smanjiti kroz fleksibilizaciju proizvodnje.“ Roboti KUKA to omogućuju!
Kontakt:
