De la mobilitatea electrică la tehnologia de comunicație și medicină, până la unelte inteligente sau electrocasnice: industria are nevoie de tot mai multe celule de baterii. Totuși, producția acestora în gigafabrici consumă cantități enorme de energie. În plus, liniile mari de producție sunt foarte inflexibile. O alternativă posibilă a fost acum testată cu succes la Institutul wbk pentru tehnologia producției al KIT. Calea: închiderea proceselor în mini-mediu. În unul dintre rolurile principale: roboți de la KUKA.
Viitorul producției de celule de baterii: optimizat energetic și flexibil
La Institutul wbk pentru Tehnologia Producției al Institutului de Tehnologie din Karlsruhe (KIT), producția de baterii de viitor este deja o realitate. Pentru a o face mai flexibilă și mai eficientă, cercetătorii au dezvoltat în cadrul proiectului AgiloBat o producție de celule agilă: Cu ajutorul automatizării bazate pe roboți în mini-environmente, s-a realizat o flexibilitate care până acum era posibilă doar în manufactură. Prin procese adaptabile și modificări ale programului, pot fi fabricate diverse geometries de celule - fără a necesita o reconfigurare costisitoare a echipamentului!
Cercetătorii au dezvoltat celule robotizate speciale, care reprezintă o noutate mondială în ceea ce privește structura și execuția lor. Acestea au fost concepute și construite de Exentec Germany GmbH, o companie a grupului Exyte. Exyte, compania internațională cu sediul în Stuttgart, specializată în tehnologia clădirilor și construcția de instalații, proiectează, planifică și furnizează instalații de fabricație durabile și ultra-pure pentru industriile de înaltă tehnologie, inclusiv fabrici de semiconductori și baterii, centre de date sau instalații pentru industria biofarmaceutică.
Unul dintre punctele de interes ale Exentec sunt camerele curate și uscate. Sau, pentru a folosi cuvintele lui Nicole Neub, directoarea departamentului de tehnologie a bateriilor de la Exentec: „Suntem responsabili pentru aerul uscat necesar în procesul de fabricație a bateriilor.”
Fiecare pas al procesului într-un mini-mediu
Este bine cunoscut că aerul din jur în producția de celule de baterii trebuie să conțină foarte puțină umiditate. Mai exact: pentru a preveni oxidarea sau includerea umidității în timpul prelucrării materialelor sensibile pentru baterii, umiditatea relativă a aerului este de obicei mai mică de 1 procent. O umiditate relativă mai mare poate duce ulterior la probleme de calitate sau chiar la defecțiuni critice ale bateriilor.
Umplerea necesară de uscare se realizează în așa-numitele mini-mediu. „În acest proces, pașii individuali ai producției și mașinile aferente sunt închise, iar aerul filtrat este adus direct la proces“, explică Nicole Neub. „Astfel, doar mașina este alimentată cu aer curat și uscat – și nu un volum mare neutilizat în hala de producție.“ În fabricarea industrială în masă a celulelor de baterie, de obicei, întreaga suprafață de producție este operată ca un spațiu uscat, ceea ce nu este necesar pentru procesele individuale și necesită cantități mari de energie.
În proiectul AgiloBat, acest lucru se realizează prin cutii de tip container, în care temperatura punctului de rouă ajunge până la -50 °C. „Aceasta nu are nimic de-a face cu temperatura mediului de producție”, explică directorul tehnic al proiectului AgiloBat, Sebastian Henschel de la Institutul wbk pentru Tehnologia Producției al KIT. Mai degrabă, punctul de rouă indică temperatura la care aerul trebuie răcit pentru ca umiditatea să se condenseze. Cu alte cuvinte: cu cât punctul de rouă este mai scăzut, cu atât aerul este mai uscat. „La un punct de rouă de -50 °C, la un milion de molecule de aer există mai puțin de 100 de molecule de apă”, subliniază Henschel. „Aceasta corespunde unei umidități relative a aerului de mult sub un procent.”
Omul este separat de proces – datorită automatizării.
Un factor decisiv sunt angajații: „Noi, oamenii, suntem compuși din 80% apă, ceea ce în acest proces nu este deloc util”, spune Henschel. „Și chiar și atunci când ne aflăm în absolută liniște, expirăm în fiecare oră cel puțin 120 de grame de umiditate pură”, completează Nicole Neub. „Acestea sunt cantități de umiditate care influențează negativ un punct de rouă stabil, de exemplu, de -50°C.” Așadar, pentru a menține mediul de producție cât mai uscat, trebuie să se evite implicarea oamenilor cât mai mult posibil.
Exact acesta este abordarea Exentec: „În mini-mediul nostru, separăm prin închidere omul de proces în mod consecvent“, explică Nicole Neub. „Acest lucru este posibil doar dacă procesul funcționează complet automatizat.“ Și aici intră în joc roboții de la KUKA.
În cadrul AgiloBat, sunt utilizate patru KR CYBERTECH nano, un KR 4 AGILUS și, pentru stivuirea celulelor, două KR SCARA – spre satisfacția deplină a responsabililor de proiect. „Producătorii de celule de baterii folosesc de ani de zile roboți KUKA în cantități mari în camerele uscate, pentru a reduce contaminarea mediului de către angajați și a crește calitatea producției”, spune Thomas Schmidberger, Manager de Dezvoltare a Afacerilor la KUKA. La KUKA, se află de ceva vreme în discuții cu producătorii de baterii cu privire la cerințele lor tehnologice pentru mediile de uscare. „Cerințele pentru produsele noastre în camerele uscate ne sunt bine cunoscute din numeroase proiecte de succes cu clienții și sunt analizate continuu împreună cu experți de frunte din industrie”, subliniază Schmidberger. Ca lider în domeniul fabricării roboților, KUKA lucrează la certificarea roboților pentru utilizarea în camerele uscate.
Robotii KUKA fac față provocărilor speciale din camera de uscare.
Utilizarea în camerele uscate aduce provocări speciale pentru roboți. Astfel, umiditatea extrem de scăzută poate duce la o uzură mai mare. Acest lucru este valabil mai ales pentru materiale care conțin plastifianți, cum ar fi garniturile sau conexiunile de cablu: în cazul utilizării pe termen lung în camerele uscate, acestea pot deveni mai repede poroase, iar în cel mai rău caz, chiar să se rupă. De asemenea, lubrifianții pot pierde din funcționalitate deoarece își pierd componentele de apă. Așadar, provocări speciale – care sunt luate în considerare la KUKA: din 2020, experții în automatizare din Augsburg au acumulat deja experiențe cu peste 10.000 de roboți în producția de baterii, dintre care mai mult de 1.000 în aplicații în camere uscate. Reacția clienților este în general pozitivă.
Însă producția în mini-environments prin automatizare nu este interesantă doar pentru producția de celule de baterii, ci și pentru multe alte industrii: „În domeniul semiconductorilor, acest subiect este esențial, la fel și în industria farmaceutică”, raportează Nicole Neub de la Exentec. Aici, avantajele gamei largi de produse KUKA se fac simțite pe deplin: Datorită versatilității și flexibilității lor, roboții pot fi utilizați în domenii, produse și medii complet diferite.
Acest lucru a fost demonstrat și de proiectul de la KIT: „Am vrut să construim un sistem maxim flexibil, în care să reprezentăm diferite etape de proces prin module de producție diferite și apoi să le conectăm între ele”, povestește Sebastian Henschel, directorul tehnic pentru AgiloBat. „În acest context, roboții KUKA s-au dovedit a fi absolut fiabili. Cu ajutorul lor, am realizat repetabilitate și precizie industrială – asociate cu o flexibilitate pe care altfel o cunoaștem doar din producția manuală.”
Oportunitate de producție atractivă, și pentru întreprinderi mici și mijlocii
Aceste caracteristici sunt deosebit de atractive pentru IMM-uri – nu întâmplător echipa de la KIT a colaborat cu constructori de mașini și instalații cu un caracter mediu la AgiloBat. Mini-environments și automatizarea le permit acestora să ofere o tehnologie de instalație competitivă pe parcursul lanțului critic de procese în medii de producție relevante pentru camerele uscate. Cunoștințele din AgiloBat le permit să fabrice celule de baterii în mod flexibil și să testeze noi sisteme de materiale prin producție apropiată de industrie cu cantități mici de materiale. „În cele din urmă, nu trebuie să uităm că în aceste etape chimice ale producției de baterii se lucrează cu substanțe critice”, spune Thomas Schmidberger. „Automatizarea bazată pe roboți, împreună cu utilizarea mini-environments, protejează, de asemenea, sănătatea angajaților.”
În special, prin metodele de producție aplicate la AgiloBat pot fi economisite resurse semnificative – și anume în două moduri: Pe de o parte, este necesară mult mai puțină energie decât în producția convențională. „În gigafabrici, între 25 și 40 la sută din întreaga cerere de energie se duce doar pentru a crea condiții de cameră uscată. Și în acest proces, uscăm constant împotriva aportului continuu de umiditate al fiecărei persoane aflate în camera uscată”, spune Nicole Neub. „Prin mini-environments și, prin urmare, prin separarea consecventă a omului de proces, aceste cifre și, prin urmare, și costurile operaționale, adică OPEX, pot fi reduse semnificativ.” Și, în al doilea rând, deșeurile neutilizabile sunt reduse considerabil: „La instalațiile mari, chiar și atunci când sunt în funcțiune, avem uneori 15 până la 20 la sută de material de deșeu care trebuie aruncat sau reciclat”, calculează Sebastian Henschel de la wbk. „De asemenea, putem reduce semnificativ acest procent prin flexibilizarea producției.” Roboții KUKA fac acest lucru posibil!
Contact:
