Od e-mobilności przez technologie komunikacyjne i medyczne po inteligentne narzędzia czy urządzenia gospodarstwa domowego: przemysł potrzebuje coraz więcej ogniw bateryjnych. Jednak ich produkcja w gigafabrykach pochłania ogromne ilości energii. Ponadto duże linie produkcyjne są bardzo nieelastyczne. Możliwą alternatywę pomyślnie przetestowano teraz w instytucie wbk zajmującym się technologią produkcji KIT. Droga: zamknięcie procesów w mini-środowiskach. W jednej z głównych ról: roboty KUKA.
Przyszłość produkcji ogniw bateryjnych: zoptymalizowana pod kątem energii i elastyczna
W instytucie wbk dla technologii produkcji Karlsruher Instytutu Technologii (KIT) przyszłościowa produkcja baterii jest już teraz możliwa do doświadczenia. Aby uczynić ją bardziej elastyczną i efektywną, badacze w ramach projektu AgiloBat zbudowali zwinne wytwarzanie ogniw: dzięki automatyzacji opartej na robotach w mini-środowiskach osiągnięto elastyczność, która dotychczas była możliwa tylko w manufakturze. Dzięki dostosowywalnym procesom i zmianom programowym można produkować różnorodne geometrie ogniw – bez kosztownej przebudowy instalacji!
W tym celu badacze opracowali specjalne robotyczne komórki, które pod względem swojej budowy i wykonania stanowią światową nowość. Zostały zaprojektowane i zbudowane przez firmę Exentec Germany GmbH, należącą do grupy Exyte. Exyte, międzynarodowa firma z siedzibą w Stuttgarcie, zajmująca się techniką budowlaną i budową instalacji, projektuje, planuje i dostarcza zrównoważone i ultraczyste zakłady produkcyjne dla przemysłów high-tech, w tym fabryk półprzewodników i baterii, centrów danych oraz zakładów dla przemysłu biopharma.
Jednym z głównych obszarów działalności Exentec są pomieszczenia czyste i suche. A mówiąc słowami Nicole Neub, dyrektorki działu technologii baterii w Exentec: „Jesteśmy odpowiedzialni za niezbędne suche powietrze w procesie produkcji baterii.”
Każdy krok procesu w mini-środowisku
Znane jest, że powietrze w otoczeniu produkcji ogniw bateryjnych może zawierać tylko bardzo mało wilgoci. Dokładniej mówiąc: aby podczas przetwarzania wrażliwych materiałów bateryjnych nie doszło do utlenienia lub wnikania wilgoci, względna wilgotność powietrza zazwyczaj wynosi mniej niż 1 procent. Wyższa względna wilgotność powietrza może później prowadzić do problemów z jakością lub nawet krytycznych awarii baterii.
Wymagana suchość jest osiągana w tzw. mini-środowiskach. „W tym przypadku poszczególne etapy produkcji oraz związane z nimi maszyny są zamykane w obudowach, a filtrowane powietrze jest bezpośrednio dostarczane do procesu” – wyjaśnia Nicole Neub. „Dzięki temu tylko maszyna jest zasilana czystym i suchym powietrzem – a nie nieużywaną dużą objętością w hali produkcyjnej.” W przemyśle masowej produkcji ogniw bateryjnych zazwyczaj całe powierzchnie produkcyjne są wykorzystywane jako pomieszczenia sucha, co nie jest konieczne dla poszczególnych procesów i wymaga dużych ilości energii.
W projekcie AgiloBat dzieje się to za pomocą kontenerowych skrzynek, w których panuje punkt rosy sięgający -50 °C. „Nie ma to nic wspólnego z temperaturą środowiska produkcyjnego”, wyjaśnia kierownik techniczny projektu AgiloBat, Sebastian Henschel z instytutu wbk zajmującego się techniką produkcji KIT. Punkt rosy wskazuje raczej temperaturę, do której powietrze musi zostać schłodzone, aby wilgoć skondensowała się. Innymi słowy: im niższy punkt rosy, tym suchsze powietrze. „Przy punkcie rosy wynoszącym -50 °C na milion cząsteczek powietrza przypada mniej niż 100 cząsteczek wody”, podkreśla Henschel. „To odpowiada wilgotności względnej powietrza znacznie poniżej jednego procenta.”
Człowiek zostaje oddzielony od procesu – dzięki automatyzacji.
Decydującym czynnikiem są pracownicy: „My ludzie składajemy się w 80 procentach z wody, co w takim procesie jest zgoła niepomocne”, mówi Henschel. „A nawet gdy znajdujemy się w absolutnym spokoju, wydychamy co godzinę co najmniej 120 gramów czystej wilgoci”, dodaje Nicole Neub. „To są ilości wilgoci, które w znacznym stopniu negatywnie wpływają na stabilny punkt rosy, na przykład -50°C.” Aby odpowiednio osuszyć środowisko produkcyjne, należy więc jak najbardziej ograniczyć obecność ludzi w tym obszarze.
Dokładnie to jest podejście Exentec: „W naszym mini-środowisku konsekwentnie oddzielamy ludzi od procesu poprzez zabudowę”, wyjaśnia Nicole Neub. „Oczywiście jest to możliwe tylko wtedy, gdy proces przebiega w pełni automatycznie.” I tutaj wkraczają roboty KUKA.
W ramach projektu AgiloBat wykorzystywane są cztery KR CYBERTECH nano, jeden KR 4 AGILUS oraz, do stackowania ogniw, dwa KR SCARA – co spotyka się z pełnym zadowoleniem osób odpowiedzialnych za projekt. „Producenci ogniw bateryjnych od lat używają robotów KUKA w dużych ilościach w pomieszczeniach suchych, aby zredukować kontaminację środowiska przez pracowników i zwiększyć jakość produkcji” – mówi Thomas Schmidberger, menedżer ds. rozwoju biznesu w KUKA. W KUKA od dłuższego czasu prowadzone są rozmowy z producentami baterii na temat ich technologicznych wymagań dotyczących środowisk suchych. „Wymagania dotyczące naszych produktów w pomieszczeniach suchych są nam doskonale znane z licznych udanych projektów klientów i są ciągle analizowane wspólnie z wiodącymi ekspertami branżowymi” – podkreśla Schmidberger. Jako wiodący producent robotów, KUKA pracuje nad certyfikacją robotów do użytku w pomieszczeniach suchych.
Roboty KUKA opanowują szczególne wyzwania w suchym pomieszczeniu.
Ponieważ zastosowanie w suchym pomieszczeniu stawia przed robotami szczególne wyzwania. Ekstremalnie niska wilgotność powietrza może prowadzić do większego zużycia. Dotyczy to szczególnie materiałów zawierających środki zmiękczające, takich jak uszczelki czy połączenia kablowe: przy długotrwałym użytkowaniu w suchym pomieszczeniu mogą one szybciej stać się porowate, a w najgorszym przypadku nawet pęknąć. Również smary mogą stracić swoje właściwości funkcjonalne, ponieważ tracą składniki wodne. Zatem są to specjalne wyzwania – które są brane pod uwagę w KUKA: od 2020 roku eksperci ds. automatyzacji z Augsburga zdobyli już doświadczenie z ponad 10 000 robotów w produkcji baterii, z czego ponad 1 000 w zastosowaniach w suchych pomieszczeniach. Reakcje klientów są w tej kwestii zdecydowanie pozytywne.
Jednak produkcja w mini-środowiskach za pomocą automatyzacji jest interesująca nie tylko dla produkcji ogniw bateryjnych, ale także dla wielu innych branż: „W obszarze półprzewodników temat ten jest kluczowy, podobnie jak w przemyśle farmaceutycznym”, relacjonuje Nicole Neub z Exentec. Tutaj w pełni ujawniają się zalety szerokiej gamy produktów KUKA: Dzięki ich wszechstronności i elastyczności roboty mogą być wykorzystywane w zupełnie różnych obszarach, produktach i środowiskach.
To udowodnił również projekt w KIT: „Chcieliśmy zbudować maksymalnie elastyczny system, w którym różne kroki procesowe są odwzorowywane przez różne moduły produkcyjne, a następnie łączone ze sobą”, opowiada dyrektor techniczny AgiloBat Sebastian Henschel. „Roboty KUKA sprawdziły się w tym przypadku doskonale. Dzięki nim osiągnęliśmy przemysłową powtarzalność i dokładność – połączoną z elastycznością, którą znamy tylko z ręcznego wytwarzania.”
Atrakcyjna możliwość produkcji, także dla małych i średnich przedsiębiorstw
Te cechy są szczególnie atrakcyjne dla MŚP – nieprzypadkowo zespół z KIT współpracował z producentami maszyn i urządzeń o średniej wielkości. Mini-środowiska i automatyzacja umożliwiają im oferowanie konkurencyjnej technologii zakładów wzdłuż krytycznego łańcucha procesowego w ramach produkcyjnych środowisk związanych z suchym pomieszczeniem. Wnioski z AgiloBat umożliwiają im elastyczną produkcję ogniw bateryjnych oraz testowanie nowych systemów materiałowych poprzez przemysłowe wytwarzanie z małymi ilościami materiałów. „Nie możemy też zapominać, że w tych chemicznych krokach procesowych produkcji baterii pracuje się z substancjami krytycznymi”, mówi Thomas Schmidberger. „Automatyzacja oparta na robotach w połączeniu z użyciem mini-środowisk chroni więc również zdrowie pracowników.”
Przede wszystkim jednak dzięki zastosowanym w AgiloBat metodom produkcji można zaoszczędzić znaczne zasoby – i to na dwa sposoby: Po pierwsze, potrzeba znacznie mniej energii niż w przypadku tradycyjnej produkcji. „W gigafabrykach od 25 do 40 procent całkowitego zapotrzebowania na energię pochłania jedynie wytworzenie warunków suchych. A przy tym nieustannie walczymy z ciągłym wprowadzaniem wilgoci przez każdego człowieka znajdującego się w suchym pomieszczeniu”, mówi Nicole Neub. „Dzięki mini-środowiskom i konsekwentnemu oddzieleniu człowieka od procesu można znacząco zredukować te liczby, a tym samym również koszty operacyjne, czyli OPEX.” Po drugie, znacznie zmniejsza się ilość odpadów, które nie mogą być wykorzystane: „W dużych zakładach, nawet gdy są one uruchomione, mamy częściowo 15 do 20 procent materiału odpadowego, który musi być wyrzucony lub poddany recyklingowi”, wylicza Sebastian Henschel z wbk. „Również ten wskaźnik możemy znacznie zredukować dzięki elastyczności produkcji.” Roboty KUKA to umożliwiają!
Kontakt:
