Od E-mobilnosti do komunikacijske in medicinske tehnologije ter pametnih orodij ali gospodinjskih aparatov: Industrija potrebuje vedno več baterijskih celic. Vendar pa proizvodnja v gigafabrikah porabi ogromne količine energije. Poleg tega so velike proizvodne linije zelo neprilagodljive. Možna alternativa je bila zdaj uspešno preizkušena na wbk Inštitutu za proizvodno tehnologijo KIT. Pot: procesna hiša v mini okoljih. V eni od glavnih vlog: roboti KUKA.
Prihodnost proizvodnje baterijskih celic: energetsko optimizirana in fleksibilna
Na wbk Inštitutu za proizvodno tehnologijo Karlsruškega inštituta za tehnologijo (KIT) je prihodnja proizvodnja baterij že zdaj doživeta. Da bi jo naredili bolj fleksibilno in učinkovito, so raziskovalci v okviru projekta AgiloBat vzpostavili agilno proizvodnjo celic: s pomočjo robotizirane avtomatizacije v mini okoljih so dosegli fleksibilnost, ki je bila doslej mogoča le v manufakturi. S prilagodljivimi procesi in spremembami programov lahko proizvajajo različne geometrije celic – brez zapletenega preurejanja opreme!
Raziskovalci so razvili posebne robotske celice, ki predstavljajo svetovno novost glede na svojo zasnovo in izvedbo. Zasnovala in zgradila sta jih Exentec Germany GmbH, podjetje skupine Exyte. Exyte, mednarodno podjetje s sedežem v Stuttgartu, ki se ukvarja z gradbeno tehnologijo in inženiringom, načrtuje in izdeluje trajnostne in ultraciste proizvodne naprave za visokotehnološke industrije, vključno s tovarnami polprevodnikov in baterij, podatkovnimi centri ali obratih za biopharma industrijo.
Ena od osrednjih točk podjetja Exentec so čisti in suhi prostori. Ali, kot pravi Nicole Neub, direktorica oddelka za baterijsko tehnologijo pri Exentec: „Odgovorni smo za potrebno suho zrak v procesu proizvodnje baterij.“
Vsak procesni korak v mini okolju
Znano je, da mora zrak v proizvodnji baterijskih celic vsebovati zelo malo vlažnosti. Natančneje: Da pri obdelavi občutljivih baterijskih materialov ne pride do oksidacij ali vlažnih vključkov, je relativna vlažnost zraka običajno manjša od 1 odstotka. Višja relativna vlažnost lahko kasneje povzroči težave s kakovostjo ali celo kritične okvare baterij.
Potrebna suhost se doseže v t.i. mini okoljih. „Pri tem se posamezni procesni koraki proizvodnje in pripadajoče naprave zaprejo, filtriran zrak pa se neposredno pripelje do procesa,“ pojasnjuje Nicole Neub. „Tako je resnično le naprava oskrbljena s čistem in suhim zrakom – in ne neizkoriščenim velikim volumnom v proizvodni hali.“ V industrijski masovni proizvodnji baterijskih celic se običajno celotne proizvodne površine obravnavajo kot suhi prostori, kar za posamezne procese ni potrebno in zahteva velike količine energije.
V projektu AgiloBat se to doseže s kontejnerskimi škatlami, v katerih je temperatura rosišča do -50 °C. „To nima nič skupnega s temperaturo proizvodnega okolja,“ pojasnjuje tehnični vodja projekta AgiloBat Sebastian Henschel z wbk Inštituta za proizvodno tehnologijo KIT. Rosišče namreč označuje temperaturo, na katero je treba zrak ohladiti, da se vlaga kondenzira. To pomeni: nižje kot je rosišče, sušji je zrak. „Pri rosišču -50 °C pride na milijon zračnih molekul manj kot 100 molekul vode,“ poudarja Henschel. „To ustreza relativni vlažnosti, ki je daleč pod enim odstotkom.“
Človek je od procesa ločen – zahvaljujoč avtomatizaciji
Odločilni dejavnik so zaposleni: „Mi ljudje smo 80 odstotkov vode, kar v takem procesu ni ravno koristno,“ pravi Henschel. „In tudi če smo v popolnem miru, vsako uro izdihnemo vsaj 120 gramov čiste vlage,“ dodaja Nicole Neub. „To so količine vlage, ki lahko močno negativno vplivajo na stabilno rosišče, na primer -50 °C.“ Da bi proizvodno okolje pravilno posušili, je torej treba ljudi čim bolj odmakniti od njega.
To je natančno pristop podjetja Exentec: „V našem mini okolju s hišico dosledno ločimo ljudi od procesa,“ pojasnjuje Nicole Neub. „To je seveda mogoče le, če proces deluje popolnoma avtomatizirano.“ In tukaj pridejo v igro roboti KUKA.
V okviru projekta AgiloBat je v uporabi štiri KR CYBERTECH nano, en KR 4 AGILUS in za skladiščenje celic dva KR SCARA – v največje zadovoljstvo projektnih vodij. „Proizvajalci baterijskih celic že leta uporabljajo robote KUKA v velikih količinah v suhem prostoru, da bi zmanjšali kontaminacijo okolja s strani zaposlenih in povečali kakovost proizvodnje,“ pravi Thomas Schmidberger, vodja razvoja poslovanja pri KUKA. Pri KUKA so že nekaj časa v stiku s proizvajalci baterij glede njihovih tehnoloških zahtev po okoljih suhega prostora. „Zahteve po naših izdelkih v suhem prostoru so nam dobro znane iz številnih uspešnih projektov strank in jih nenehno analiziramo skupaj z vodilnimi industrijskimi strokovnjaki,“ poudarja Schmidberger. Kot vodilni proizvajalec robotov KUKA dela na certificiranju robotov za uporabo v suhem prostoru.
Roboti KUKA obvladajo posebne izzive v suhem prostoru
Saj uporaba v suhem prostoru prinaša za robote posebne izzive. Tako lahko ekstremno nizka vlažnost zraka povzroči večje obrabe. To velja zlasti za materiale, ki vsebujejo mehčala, na primer tesnila ali kabelske povezave: pri dolgotrajni uporabi v suhem prostoru lahko postanejo hitreje porozni, v najslabšem primeru celo zlomijo. Tudi maziva lahko izgubijo funkcionalnost, ker izgubijo vodne sestavine. To so torej posebni izzivi – ki jih KUKA upošteva: Od leta 2020 so avtomatizacijski strokovnjaki iz Augsburga že pridobili izkušnje z več kot 10.000 roboti v proizvodnji baterij, od tega več kot 1.000 v aplikacijah suhega prostora. Odzivi strank so pri tem dosledno pozitivni.
Vendar pa je proizvodnja v mini okolju z avtomatizacijo zanimiva ne le za proizvodnjo baterijskih celic, temveč tudi za številne druge panoge: „V polprevodniški industriji je to tema, ki je ključna, prav tako v farmacevtski industriji,“ poroča Nicole Neub iz podjetja Exentec. Tu pridejo prednosti širokega nabora izdelkov KUKA do izraza: zaradi njihove vsestranskosti in prilagodljivosti je mogoče robote uporabljati za povsem različna področja, izdelke in okolja.
To je dokazal tudi projekt na KIT: „Želeli smo zgraditi maksimalno fleksibilen sistem, v katerem bi različne procesne korake prikazali z različnimi proizvodnimi moduli in jih nato povezali,“ pripoveduje tehnični vodja za AgiloBat Sebastian Henschel. „Pri tem so se roboti KUKA izkazali kot izjemno zanesljivi. S njihovo pomočjo smo dosegli industrijsko ponovljivost in natančnost – povezano s prilagodljivostjo, ki jo poznamo le iz ročne proizvodnje.“
Privlačna proizvodna možnost, tudi za mala in srednja podjetja
Te značilnosti so še posebej privlačne za MSP – ni naključje, da je ekipa KIT pri AgiloBat sodelovala z srednje velikimi proizvajalci strojev in naprav. Mini okolja in avtomatizacija jim omogočajo, da ponudijo konkurenčno tehnologijo naprav vzdolž kritične procesne verige v proizvodnih okoljih, povezanih s suhim prostorom. Spoznanja iz AgiloBat jim omogočajo, da fleksibilno proizvajajo baterijske celice ter preizkušajo nove materialne sisteme z industrijsko blizu proizvodnjo z majhnimi količinami materiala. „Nazadnje ne smemo pozabiti, da pri teh kemijskih procesnih korakih proizvodnje baterij delamo s kritičnimi snovmi,“ pravi Thomas Schmidberger. „Avtomatizacija, ki temelji na robotih, v povezavi z uporabo mini okolij torej tudi ščiti zdravje zaposlenih.“
Predvsem pa lahko s proizvodnimi postopki, ki se uporabljajo pri AgiloBat, prihranimo znatne vire – in sicer na dva načina: Po eni strani potrebujemo bistveno manj energije kot pri konvencionalni proizvodnji. „V gigafactoryjih med 25 in 40 odstotkov celotne porabe energije odide samo za ustvarjanje pogojev suhega prostora. In pri tem neprekinjeno sušimo proti stalnemu vnosu vlage vsakega človeka v suhem prostoru,“ pravi Nicole Neub. „Z mini okolji in s tem dosledno ločitvijo med človekom in procesom lahko to številko in s tem tudi tekoče stroške, torej OPEX, znatno zmanjšamo.“ In drugič, znatno se zmanjša neuporabni odpad: „Pri velikih napravah imamo, tudi ko so te v obratovanju, delno 15 do 20 odstotkov odpadnega materiala, ki ga je treba zavreči ali reciklirati,“ izračuna Sebastian Henschel iz wbk. „Tudi to kvoto lahko znatno zmanjšamo s fleksibilizacijo proizvodnje.“ Roboti KUKA to omogočajo!
Kontakt:
