Az E-mobilitástól a kommunikációs és orvostechnológián át a okos szerszámokig vagy háztartási gépekig: az iparnak egyre több akkumulátorcellára van szüksége. Azonban a gigagyárakban történő gyártás hatalmas energiafogyasztással jár. Ráadásul a nagy gyártósorok nagyon rugalmatlanok. Egy lehetséges alternatívát most sikeresen teszteltek a KIT wbk Gyártástechnikai Intézetében. Az út: a folyamatok házon belüli megvalósítása mini környezetekben. Az egyik főszereplő: a KUKA robotok.
A akkumulátorsejtek gyártásának jövője: energiahatékony és rugalmas
A Karlsruhei Műszaki Intézet (KIT) wbk Gyártástechnikai Intézetében a jövőbeli akkumulátorgyártás már most is tapasztalható. Annak érdekében, hogy ezt rugalmasabbá és hatékonyabbá tegyék, a kutatók az AgiloBat projekt keretében egy agilis cellagyártást alakítottak ki: robot-alapú automatizálás segítségével mini környezetekben olyan rugalmasságot értek el, amely eddig csak a manufaktúrákban volt lehetséges. Az alkalmazkodó folyamatok és programváltoztatások révén különböző cellageometriák állíthatók elő – anélkül, hogy a berendezést bonyolultan át kellene alakítani!
A kutatók speciális robotcellákat fejlesztettek ki, amelyek a felépítésük és kivitelezésük szempontjából világújdonságnak számítanak. Az Exentec Germany GmbH, az Exyte csoporthoz tartozó vállalat tervezte és építette őket. Az Exyte, egy nemzetközi, stuttgarti székhelyű épületgépészeti és berendezésgyártó vállalat fenntartható és ultratiszta gyártóberendezéseket tervez, tervez és gyárt a high-tech iparágak számára, beleértve a félvezető- és akkumulátorgyárakat, adatközpontokat vagy biotechnológiai ipar számára készült berendezéseket.
Az Exentec egyik fő területe a tiszta és száraz helyiségek. Vagy ahogy Nicole Neub, az Exentec akkumulátortechnológiai részlegének igazgatója fogalmazott: „Mi felelünk a szükséges száraz levegőért az akkumulátor gyártási folyamatában.”
Minden egyes folyamatlépés egy mini-környezetben
Ismert, hogy az akkumulátorcellák gyártása során a környezeti levegő nedvességtartalma csak nagyon alacsony lehet. Pontosabban: Ahhoz, hogy az érzékeny akkumulátormateriálok feldolgozása során ne lépjenek fel oxidációk vagy nedvességbevonatok, a relatív páratartalom általában 1 százalék alatt van. Mert a magasabb relatív páratartalom később minőségi problémákhoz vagy akár kritikus akkumulátorhibákhoz vezethet.
A szükséges szárazságot úgynevezett mini-környezetekben állítják elő. „Ezekben a gyártás egyes folyamatait és a hozzájuk tartozó gépeket elkülönítik, és a szűrt levegőt közvetlenül a folyamathoz juttatják” – magyarázza Nicole Neub. „Így valóban csak a gépet látják el tiszta és száraz levegővel – és nem egy kihasználatlan nagy térfogatot a gyártócsarnokban.” Az ipari tömeggyártás során a akkumulátorcellák esetében általában az egész gyártófelületet száraz térként üzemeltetik, ami egyes folyamatokhoz nem szükséges és nagy mennyiségű energiát igényel.
Az AgiloBat projekt keretében ez konténer-szerű dobozokban történik, ahol a harmatpont akár -50 °C is lehet. „Ez nem kapcsolódik a gyártási környezet hőmérsékletéhez” - magyarázza az AgiloBat projekt műszaki vezetője, Sebastian Henschel a KIT wbk Gyártástechnikai Intézetéből. Sokkal inkább a harmatpont azt a hőmérsékletet jelöli, amelyre a levegőt le kell hűteni ahhoz, hogy a nedvesség kondenzálódjon. Vagyis: minél alacsonyabb a harmatpont, annál szárazabb a levegő. „-50 °C-os harmatpontnál egymillió levegőmolekulára kevesebb mint 100 vízmolekula jut” - hangsúlyozza Henschel. „Ez egy százalék alatti relatív páratartalomnak felel meg.”
Az ember elválik a folyamattól – a automatizálásnak köszönhetően
Egy döntő tényező a munkavállalók: „Mi emberek 80 százalékban vízből állunk, ami egy ilyen folyamatban egyáltalán nem segít” – mondja Henschel. „És még ha teljesen nyugodtak is vagyunk, óránként legalább 120 gramm tiszta nedvességet lélegzünk ki” – teszi hozzá Nicole Neub. „Ezek olyan nedvességmennyiségek, amelyek jelentősen negatívan befolyásolják a stabil harmatpontot, például -50 °C-on.” Ahhoz, hogy a gyártási környezetet megfelelően szárazon tartsuk, tehát a lehető legjobban ki kell zárni az embereket ebből a környezetből.
Pontosan ez az Exentec megközelítése: „A mini-környezetünkben a burkolat segítségével következetesen elválasztjuk az embert a folyamattól” - magyarázza Nicole Neub. „Ez természetesen csak akkor lehetséges, ha a folyamat teljesen automatizált.” Itt lépnek be a KUKA robotjai.
Az AgiloBat keretében négy KR CYBERTECH nano, egy KR 4 AGILUS, valamint a cellastackinghez két KR SCARA robotot használnak – a projekt felelőseinek teljes megelégedésére. „A akkumulátorcellát gyártó cégek évek óta nagy mennyiségben használnak KUKA robotokat a száraz térben, hogy csökkentsék a munkavállalók által okozott környezeti szennyeződést és növeljék a termelési minőséget” – mondja Thomas Schmidberger, a KUKA üzletfejlesztési menedzsere. A KUKA már egy ideje kapcsolatban áll akkumulátorgyártókkal a száraz tér környezetére vonatkozó technológiai követelményeikről. „A száraz térben a termékeink iránti követelmények jól ismertek számunkra számos sikeres ügyfélprojektből, és folyamatosan elemzés alatt állnak vezető iparági szakértőkkel együtt” – hangsúlyozza Schmidberger. Mint vezető robotgyártó, a KUKA a robotok száraz térben való használatának tanúsításán dolgozik.
A KUKA robotok a száraz tér különleges kihívásait kezelik.
Mivel a száraz térben való használat különleges kihívásokat jelent a robotok számára. Az extrém alacsony páratartalom nagyobb kopást okozhat. Ez különösen igaz azokra az anyagokra, amelyek lágyítószereket tartalmaznak, például tömítésekre vagy kábelcsatlakozásokra: Hosszú távú használat során a száraz térben gyorsabban porózussá válhatnak, a legrosszabb esetben akár el is törhetnek. De a kenőzsírok is elveszíthetik funkcionális képességüket, mivel vízkomponenseket veszítenek. Tehát speciális kihívások – amelyeket a KUKA is figyelembe vesz: 2020 óta az augsburgi automatizálási szakértők már több mint 10.000 robot tapasztalatait gyűjtötték össze az akkumulátor gyártásában, ebből több mint 1.000 a száraz térben végzett alkalmazásokban. Az ügyfél-visszajelzés folyamatosan pozitív.
De a mini-környezetekben történő automatizált gyártás nemcsak az akkumulátorcellák gyártása szempontjából érdekes, hanem sok más iparág számára is: „A félvezető területen ez a téma elengedhetetlen, ugyanúgy, mint a gyógyszeriparban” - számolt be Nicole Neub az Exentec-től. Itt teljes mértékben érvényesülnek a KUKA széles termékválasztékának előnyei: Sokoldalúságuknak és rugalmasságuknak köszönhetően a robotok teljesen különböző területeken, termékeknél és környezetekben alkalmazhatók.
Ezt a KIT projektje is bizonyította: „Maximálisan rugalmas rendszert akartunk létrehozni, amelyben különböző gyártási lépéseket különböző gyártási modulokkal ábrázolunk, majd összekapcsoljuk őket” - meséli Sebastian Henschel, az AgiloBat műszaki vezetője. „A KUKA robotjai itt teljes mértékben beváltak. Segítségükkel ipari ismételhetőséget és pontosságot értünk el – olyan rugalmassággal, amit eddig csak a kézi gyártásból ismertünk.”
Vonzó gyártási lehetőség, kisebb és közepes vállalatok számára is
Ezek a jellemzők különösen vonzóak a KKV-k számára – nem véletlen, hogy a KIT csapata az AgiloBat-nál közepes méretű gép- és berendezésgyártókkal dolgozott együtt. A mini-környezetek és az automatizálás lehetővé teszi számukra, hogy versenyképes berendezéstechnológiát kínáljanak a kritikus folyamatlánc mentén a szárazteremre vonatkozó gyártási környezetekben. Az AgiloBat-ból származó tapasztalatok lehetővé teszik számukra, hogy rugalmasan gyártsanak akkumulátorcellákat, valamint új anyagrendszereket próbáljanak ki iparilag közeli gyártással, kis anyagmennyiségekkel. „Végül ne felejtsük el, hogy ezeknél a kémiai folyamatlépéseknél az akkumulátor gyártás során kritikus anyagokkal dolgozunk” - mondja Thomas Schmidberger. „A robot-alapú automatizálás a mini-környezetek használatával tehát a munkavállalók egészségét is védi.”
Főleg azonban az AgiloBat által alkalmazott gyártási eljárások révén jelentős erőforrásokat lehet megtakarítani – mégpedig két szempontból: Egyrészt sokkal kevesebb energiára van szükség, mint a hagyományos gyártásnál. „A gigagyárakban a teljes energiaigény 25-40%-át csupán a szárazterem körülményeinek megteremtésére fordítjuk. És közben folyamatosan a szárazteremben tartózkodó emberek folyamatos nedvességbevitellel szemben szárítunk” - mondja Nicole Neub. „A mini-környezetek és ezzel a folyamatos ember- és folyamatelválasztás révén ez a szám, és így a folyamatos költségek, azaz az OPEX, jelentősen csökkenthető.” Másrészt a felhasználhatatlan hulladék jelentősen csökkenthető: „A nagy berendezéseknél, még ha ezek be is álltak, néha 15-20% hulladékanyagot kell kidobni vagy újrahasznosítani” - számolja Sebastian Henschel a wbk-tól. „Ezt az arányt is jelentősen csökkenthetjük a gyártás rugalmasságának növelésével.” A KUKA robotjai lehetővé teszik ezt!
Kapcsolat:
