Від електромобільності до комунікаційних та медичних технологій, а також до розумних інструментів чи побутових приладів: промисловість потребує все більше батарейних елементів. Однак їх виробництво в гігафабриках споживає величезні обсяги енергії. Крім того, великі виробничі лінії є дуже нееластичними. Можлива альтернатива була успішно випробувана в інституті виробничої техніки wbk KIT. Шлях: впровадження процесів у міні-середовищах. В одній з головних ролей: роботи від KUKA.
Майбутнє виробництва батарейних елементів: енергетично оптимізоване та гнучке
В інституті виробничої техніки wbk Карлсруського технологічного інституту (KIT) вже зараз можна побачити перспективне виробництво батарей. Щоб зробити його більш гнучким та ефективним, дослідники в рамках проєкту AgiloBat створили агільне виробництво осередків: за допомогою роботизованої автоматизації в міні-середовищах було досягнуто гнучкості, яка раніше була можлива лише в мануфактурі. Завдяки адаптованим процесам і змінам у програмному забезпеченні можна виготовляти різноманітні геометрії осередків – без складного переобладнання обладнання!
Для цього дослідники розробили спеціальні роботизовані клітини, які за своїми характеристиками та виконанням є світовою новинкою. Їх спроектувала та побудувала компанія Exentec Germany GmbH, що входить до складу групи Exyte. Exyte, міжнародна компанія з будівельної техніки та промислового обладнання, що базується в Штутгарті, проектує, планує та постачає сталеві та ультра чисті виробничі установки для високих технологій, включаючи фабрики напівпровідників та батарей, дата-центри або установки для біофармацевтичної промисловості.
Один із пріоритетів Exentec — чисті та сухі приміщення. Або, щоб висловитися словами Ніколь Нойб, директора відділу батарейних технологій в Exentec: «Ми відповідаємо за необхідне сухе повітря в процесі виробництва батарей».
Кожен етап процесу в міні-середовищі
Відомо, що в повітрі навколишнього середовища при виробництві батарейних елементів вміст вологи має бути дуже низьким. Точніше кажучи: щоб під час обробки чутливих матеріалів для батарей не відбувалися окислення або включення вологи, відносна вологість повітря зазвичай становить менше 1 відсотка. Адже вища відносна вологість може призвести до проблем з якістю або навіть до критичних відмов батарей у майбутньому.
Необхідна сухість забезпечується в так званих міні-середовищах. «При цьому окремі етапи виробництва та відповідні машини закриваються, а фільтроване повітря подається безпосередньо до процесу», пояснює Ніколь Нойб. «Таким чином, дійсно лише машина забезпечується чистим і сухим повітрям – і жоден невикористаний великий об'єм у виробничому залі». У промисловому масовому виробництві батарейних елементів зазвичай використовуються цілі виробничі площі як сухі приміщення, що не є необхідним для окремих процесів і потребує великих обсягів енергії.
У проекті AgiloBat це здійснюється за допомогою контейнероподібних ящиків, у яких температура точки роси досягає -50 °C. "Це не має нічого спільного з температурою виробничого середовища", пояснює технічний керівник проекту AgiloBat Себастіан Геншель з інституту виробничої техніки KIT. Скоріше, точка роси вказує на ту температуру, до якої повітря має бути охолоджене, щоб волога конденсувалася. Іншими словами: чим нижча точка роси, тим сухіше повітря. "При точці роси -50 °C на один мільйон молекул повітря припадає менше ніж 100 молекул води", підкреслює Геншель. "Це відповідає відносній вологості повітря значно нижче одного відсотка."
Людина відокремлюється від процесу – завдяки автоматизації.
Важливим фактором є працівники: «Ми, люди, на 80 відсотків складаємося з води, що в такому процесі зовсім не допомагає», - говорить Хеншель. «І навіть коли ми знаходимося в абсолютному спокої, ми видихаємо щогодини щонайменше 120 грамів чистої вологи», - додає Ніколь Нойб. «Це обсяги вологи, які значно негативно впливають на стабільну точку роси, наприклад, -50°C». Щоб правильно висушити виробниче середовище, потрібно якомога більше тримати людей подалі від нього.
Саме це є підходом компанії Exentec: «У нашому міні-середовищі ми рішуче відокремлюємо людину від процесу за допомогою оболонки», пояснює Ніколь Нойб. «Це, звичайно, можливо лише тоді, коли процес повністю автоматизований». І тут на допомогу приходять роботи KUKA.
У рамках AgiloBat використовуються чотири KR CYBERTECH nano, один KR 4 AGILUS, а також два KR SCARA для складання батарейних елементів – на повне задоволення відповідальних за проект. «Виробники батарейних елементів вже багато років використовують роботи KUKA у великих кількостях в сухих приміщеннях, щоб зменшити забруднення середовища працівниками та підвищити якість виробництва», – говорить Томас Шмідбергер, менеджер з розвитку бізнесу в KUKA. У KUKA вже деякий час ведуться переговори з виробниками батарей щодо їх технологічних вимог до умов сухих приміщень. «Вимоги до наших продуктів у сухих приміщеннях нам добре відомі з численних успішних клієнтських проектів і постійно аналізуються разом з провідними промисловими експертами», – підкреслює Шмідбергер. Як провідний виробник роботів, KUKA працює над сертифікацією роботів для використання в сухих приміщеннях.
Роботи KUKA справляються з особливими викликами в сухій кімнаті.
Оскільки використання в сухих приміщеннях ставить перед роботами особливі виклики. Так, екстремально низька вологість повітря може призвести до більшого зносу. Це стосується, насамперед, матеріалів, що містять пластифікатори, наприклад, ущільнень або кабельних з'єднань: при тривалому використанні в сухому приміщенні вони можуть швидше ставати пористими, в найгіршому випадку навіть ламатися. Але й мастила також можуть втрачати свою функціональність, оскільки втрачають водяні складові. Отже, це спеціальні виклики – які враховуються в KUKA: з 2020 року експерти з автоматизації з Аугсбурга вже отримали досвід роботи з понад 10 000 роботами в виробництві батарей, з них більше 1 000 у застосуваннях у сухих приміщеннях. Відгуки клієнтів при цьому в цілому позитивні.
Але виробництво в міні-середовищах за допомогою автоматизації цікаве не лише для виробництва батарейних елементів, а й для багатьох інших галузей: «У сфері напівпровідників ця тема є суттєвою, так само як і в фармацевтичній промисловості», повідомляє Ніколь Нойб з Exentec. Тут повністю проявляються переваги широкого асортименту KUKA: завдяки їхній універсальності та гнучкості роботи роботи можна використовувати для зовсім різних областей, продуктів і середовищ.
Це також підтвердив проект у KIT: «Ми хотіли створити максимально гнучку систему, в якій ми можемо відобразити різні етапи процесу за допомогою різних виробничих модулів і потім з'єднати їх», розповідає технічний керівник AgiloBat Себастіан Хеншель. «У цьому випадку роботи KUKA абсолютно виправдали себе. З їхньою допомогою ми досягли промислової повторюваності та точності – у поєднанні з гнучкістю, яку ми інакше знаємо лише з ручного виробництва».
Приваблива можливість виробництва, також для малих і середніх підприємств
Ці характеристики особливо привабливі для МСП – не випадково команда KIT працювала з виробниками машин і обладнання, що мають середні масштаби. Міні-середовища та автоматизація дозволяють їм запропонувати конкурентоспроможну технологію обладнання вздовж критичного процесу в умовах виробництва, що потребують сухих приміщень. Висновки з AgiloBat дозволяють їм гнучко виробляти батарейні елементи, а також випробовувати нові матеріальні системи через промислове виробництво з невеликими обсягами матеріалів. «Зрештою, ми також не повинні забувати, що під час цих хімічних процесів виробництва батарей працюють з критичними речовинами», говорить Томас Шмідбергер. «Автоматизація на основі роботів у поєднанні з використанням міні-середовищ також захищає здоров'я працівників».
Але насамперед завдяки виробничим процесам, застосованим у AgiloBat, можна значно заощадити ресурси – і в двох аспектах: по-перше, потрібно значно менше енергії, ніж при традиційному виробництві. «У гігафабриках від 25 до 40 відсотків загальної потреби в енергії йде лише на створення умов сухих приміщень. І при цьому ми постійно сушимо проти безперервного надходження вологи від кожної людини, що знаходиться в сухому приміщенні», говорить Ніколь Нойб. «Завдяки міні-середовищам і, отже, послідовному розділенню людини та процесу, ці цифри та, отже, також постійні витрати, тобто OPEX, можна значно зменшити». І по-друге, значно зменшується непотрібний брак: «У великих установках, навіть якщо вони вже запущені, ми маємо 15-20 відсотків бракованого матеріалу, який потрібно викидати або переробляти», підраховує Себастіан Хеншель з wbk. «Цю частку ми також можемо значно зменшити завдяки гнучкості виробництва». Роботи KUKA роблять це можливим!
Контакт:
