Dalla mobilità elettrica alla tecnologia della comunicazione e della medicina fino agli strumenti intelligenti o agli elettrodomestici: l'industria ha bisogno di sempre più celle per batterie. Tuttavia, la loro produzione nelle gigafactory consuma enormi quantità di energia. Inoltre, le grandi linee di produzione sono molto rigide. Un'alternativa possibile è stata ora testata con successo presso l'istituto wbk per la tecnologia di produzione del KIT. La strada: l'inserimento dei processi in mini-ambienti. In uno dei ruoli principali: robot di KUKA.
Il futuro della produzione di celle per batterie: ottimizzato energeticamente e flessibile
Presso l'istituto wbk per la tecnologia di produzione del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), la produzione di batterie all'avanguardia è già esperibile. Per renderla più flessibile ed efficiente, i ricercatori, nell'ambito del progetto AgiloBat, hanno creato una produzione di celle agile: grazie all'automazione basata su robot in mini-ambienti, è stata raggiunta una flessibilità che prima era possibile solo nella manifattura. Grazie a processi adattabili e modifiche ai programmi, possono essere prodotte diverse geometrie di celle – senza dover riconfigurare l'impianto in modo complesso!
A questo scopo, i ricercatori hanno sviluppato celle robotiche speciali, che per la loro struttura e realizzazione rappresentano un'innovazione mondiale. Sono state progettate e costruite da Exentec Germany GmbH, un'azienda del gruppo Exyte. Exyte, l'azienda internazionale con sede a Stoccarda per la tecnologia edilizia e la costruzione di impianti, progetta, pianifica e fornisce impianti di produzione sostenibili e ultrapuri per industrie high-tech, tra cui fabbriche di semiconduttori e batterie, data center o impianti per l'industria biofarmaceutica.
Uno dei punti focali di Exentec sono le camere pulite e asciutte. O, per dirla con le parole di Nicole Neub, direttrice del dipartimento di tecnologia delle batterie di Exentec: "Siamo responsabili dell'aria secca necessaria nel processo di produzione delle batterie."
Ogni fase del processo in un mini-ambiente
È noto che l'aria ambientale nella produzione di celle per batterie deve contenere pochissima umidità. Più precisamente: affinché non si verifichino ossidazioni o inclusioni di umidità durante la lavorazione dei materiali sensibili per le batterie, l'umidità relativa dell'aria è solitamente inferiore all'1%. Infatti, un'umidità relativa più alta può portare in seguito a problemi di qualità o addirittura a guasti critici delle batterie.
La necessaria secchezza viene prodotta in cosiddetti mini-ambienti. "In questo modo, singole fasi del processo di produzione e le macchine corrispondenti vengono racchiuse e l'aria filtrata viene portata direttamente al processo", spiega Nicole Neub. "In questo modo, solo la macchina riceve aria pulita e secca – e non un grande volume inutilizzato nella sala di produzione." Nella produzione industriale di massa di celle per batterie, di solito vengono utilizzati interi spazi di produzione come camere secche, il che non è necessario per singoli processi e richiede grandi quantità di energia.
Nel progetto AgiloBat, ciò avviene attraverso contenitori simili a casse, in cui si raggiunge un punto di rugiada fino a -50 °C. "Questo non ha nulla a che fare con la temperatura dell'ambiente di produzione", spiega il responsabile tecnico del progetto AgiloBat, Sebastian Henschel, dell'istituto wbk per la tecnologia di produzione del KIT. Piuttosto, il punto di rugiada indica la temperatura a cui l'aria deve essere raffreddata affinché l'umidità si condensi. In altre parole: più basso è il punto di rugiada, più secca è l'aria. "A un punto di rugiada di -50 °C, su un milione di molecole d'aria ci sono meno di 100 molecole d'acqua", sottolinea Henschel. "Questo corrisponde a un'umidità relativa di ben al di sotto dell'1%."
L'uomo viene separato dal processo – grazie all'automazione
Un fattore decisivo sono i collaboratori: "Noi esseri umani siamo composti per l'80% da acqua, il che in un processo del genere è tutt'altro che utile", afferma Henschel. "E anche se ci troviamo in assoluto riposo, espiriamo ogni ora almeno 120 grammi di pura umidità", aggiunge Nicole Neub. "Si tratta di quantità di umidità che influenzano negativamente un punto di rugiada stabile di ad esempio -50 °C." Per rendere l'ambiente di produzione realmente secco, quindi, bisogna tenere le persone il più possibile lontane da esso.
Esattamente questo è l'approccio di Exentec: "Nel nostro mini-ambiente separiamo l'uomo dal processo grazie all'inserimento", spiega Nicole Neub. "Questo è possibile solo se il processo è completamente automatizzato." E qui entrano in gioco i robot di KUKA.
Nell'ambito di AgiloBat sono in uso quattro KR CYBERTECH nano, un KR 4 AGILUS e, per lo stacking delle celle, due KR SCARA – con la massima soddisfazione dei responsabili del progetto. "I produttori di celle per batterie utilizzano da anni robot KUKA in grandi quantità nella camera secca, per ridurre la contaminazione ambientale da parte dei collaboratori e migliorare la qualità della produzione", afferma Thomas Schmidberger, Business Development Manager di KUKA. Presso KUKA, da tempo si è in contatto con i produttori di batterie riguardo alle loro esigenze tecnologiche per ambienti a camera secca. "Le esigenze sui nostri prodotti nella camera secca ci sono ben note grazie a numerosi progetti di successo con i clienti e vengono continuamente analizzate insieme a esperti di settore di primo piano", sottolinea Schmidberger. In qualità di produttore leader di robot, KUKA sta lavorando a una certificazione dei robot per l'uso nella camera secca.
I robot di KUKA affrontano le sfide particolari nella camera secca
Infatti, l'uso nella camera secca presenta sfide particolari per i robot. L'estremamente bassa umidità dell'aria può portare a un'usura maggiore. Questo vale soprattutto per i materiali che contengono plastificanti, come guarnizioni o connessioni elettriche: nell'uso prolungato nella camera secca, possono diventare più porosi, nel caso peggiore addirittura rompersi. Anche i lubrificanti, ad esempio, possono perdere funzionalità perché perdono componenti acquosi. Sfide speciali quindi – che KUKA tiene in considerazione: dal 2020, gli esperti di automazione di Augusta hanno già accumulato esperienze con oltre 10.000 robot nella produzione di batterie, di cui più di 1.000 in applicazioni a camera secca. Il feedback dei clienti è sempre positivo.
Ma la produzione in mini ambienti tramite automazione non è interessante solo per la produzione di celle per batterie, ma anche per molti altri settori: "Nel settore dei semiconduttori, il tema è essenziale, così come nell'industria farmaceutica", riporta Nicole Neub di Exentec. Qui si manifestano pienamente i vantaggi della vasta gamma di prodotti di KUKA: grazie alla loro versatilità e flessibilità, i robot possono essere utilizzati in ambiti, prodotti e ambienti completamente diversi.
Questo è stato dimostrato anche dal progetto al KIT: "Volevamo costruire un sistema massimamente flessibile, rappresentando diversi passaggi di processo attraverso diversi moduli di produzione e poi collegandoli tra loro", racconta il responsabile tecnico di AgiloBat, Sebastian Henschel. "In questo caso, i robot di KUKA si sono dimostrati assolutamente affidabili. Con il loro aiuto abbiamo raggiunto ripetibilità e precisione industriali, unite a una flessibilità che conosciamo altrimenti solo dalla produzione manuale."
Opportunità di produzione attraenti, anche per piccole e medie imprese
Queste caratteristiche sono particolarmente attraenti per le PMI - non è un caso che il team del KIT abbia collaborato con costruttori di macchine e impianti caratterizzati da una mentalità di medie dimensioni. Mini ambienti e automazione consentono loro di offrire una tecnologia impiantistica competitiva lungo la catena di processo critica all'interno di ambienti di produzione rilevanti per le condizioni di asciugatura. Le conoscenze derivanti da AgiloBat consentono loro di produrre celle per batterie in modo flessibile e di testare nuovi sistemi di materiali attraverso una produzione industriale con piccole quantità di materiali. "Infine, non dobbiamo dimenticare che in questi passaggi di processo chimico della produzione di batterie si lavora con sostanze critiche", afferma Thomas Schmidberger. "L'automazione basata su robot in combinazione con l'uso di mini ambienti protegge quindi anche la salute dei dipendenti."
Soprattutto, però, i processi produttivi applicati in AgiloBat consentono di risparmiare risorse significative - e in due modi: da un lato, è necessaria notevolmente meno energia rispetto alla produzione convenzionale. "Nelle gigafactory, tra il 25 e il 40 percento del fabbisogno energetico totale è dedicato esclusivamente alla creazione di condizioni di asciugatura. E nel farlo, asciughiamo costantemente contro l'apporto continuo di umidità di ogni persona presente nella sala asciutta", afferma Nicole Neub. "Grazie ai mini ambienti e quindi alla separazione coerente tra uomo e processo, possiamo ridurre significativamente questo numero e quindi anche i costi operativi, cioè l'OPEX." E in secondo luogo, il materiale di scarto non utilizzabile viene notevolmente ridotto: "Negli impianti grandi, anche quando sono avviati, abbiamo a volte il 15-20 percento di materiale di scarto che deve essere gettato o riciclato", calcola Sebastian Henschel del wbk. "Anche questa percentuale possiamo ridurla significativamente attraverso la flessibilizzazione della produzione." I robot di KUKA lo rendono possibile!
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