Productie van accucellen in mini environments: flexibel automatiseren in dryrooms

Van e-mobility en communicatie- en medische technologie tot slimme tools of huishoudelijke apparaten: de industrie heeft steeds meer accucellen nodig. Voor de productie van deze accucellen in zogenoemde "gigafactories" is echter enorm veel energie nodig. Bovendien zijn de grote productielijnen niet bepaald flexibel. Een mogelijk alternatief is nu met succes getest aan het wbk Institut für Produktionstechnik van het KIT (Karlsruher Institut für Technologie). De oplossing: procesbehuizing in mini environments. In een van de hoofdrollen: de robots van KUKA.

De toekomst van de productie van accucellen: energie-effici?nte clean- en dryrooms

Aan het wbk Institut für Produktionstechnik van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) kan nu al worden ervaren hoe de toekomstgerichte accuproductie eruit ziet. Om de productie flexibeler en effici?nter te maken, hebben onderzoekers in het kader van het project AgiloBat een agiele celproductie voor lithium-ion accu's ontwikkeld: met behulp van de robotgebaseerde automatisering in mini enivronments werd daarbij een flexibiliteit bereikt die tot nog toe alleen in fabrieken mogelijk was.?

De KR 4 AGILUS in actie in een van de robotcellen aan het KIT.

Dankzij aanpasbare processen en wijzigingen aan het programma kunnen de meest uiteenlopende celgeometrie?n in de dryroom worden geproduceerd, zonder dat de installatie hiervoor uitgebreid of omgebouwd hoeft te worden.?Hiervoor ontwikkelden de onderzoekers speciale robotcellen, die met betrekking tot ontwerp en uitvoering een echte wereldprimeur vormen. De robotcellen werden ontworpen en gebouwd door Exentec Germany GmbH, een onderneming van de Exyte Group. Exyte, het internationale, in Stuttgart gevestigde?bedrijf voor gebouwtechnologie en?installatiebouw, plant en levert duurzame en ultraclean productiesystemen voor high-tech-industrie?n, waaronder halfgeleider- en accufabrieken, datacentra of systemen voor de?biofarmaceutische industrie. Een van de speerpunten van Exentec zijn clean- en dryrooms. Of, om het met de woorden van Nicole Neub, directeur accutechnologie bij Exentec te zeggen: "Wij zijn verantwoordelijk voor de benodigde droge luchttijdens het productieproces van accu's."

Elke processtap in een mini environment

Het moge bekend zijn dat de omgevingslucht bij de productie van accucellen een zeer lage luchtvochtigheid moet hebben. Oftewel: om te voorkomen dat bij de verwerking van de gevoelige accumaterialen oxidatie of vocht optreedt, bedraagt de relatieve luchtvochtigheid meestal minder dan 1 procent. Immers, als de luchtvochtigheid hoger is, kan dat later tot kwaliteitsproblemen of zelfs een kritieke uitval van de accu's leiden.

De relatieve luchtvochtigheid in de robotcellen bedraagt over het algemeen minder dan 1 procent.

De benodigde droogheid wordt geproduceerd in zogenaamde mini environments. "Daarbij worden afzonderlijke processtappen van de productie en de bijbehorende machines als het ware "ingepakt" en wordt de gefilterde lucht direct naar het proces geleid", vertelt Nicole Neub. “Daardoor wordt echt alleen de machine van schone en droge lucht voorzien – en niet de ongebruikte ruimte in de productiehal.” In de industri?le massaproductie van accucellen worden meestal volledige productievlakken als dryroom gebruikt, hetgeen voor afzonderlijke processen niet noodzakelijk is en enorm veel energie verbruikt.

Extreem droge lucht: procesbehuizing maakt het mogelijk

In het kader van het project AgiloBat worden containerbakken gebruikt, waarin een dauwpunt tot wel -50 °C aanwezig is. "Dit heeft niets te maken met de temperatuur van de productieomgeving", licht technisch directeur Sebastian Henschel van het AgiloBat-project van het wbk Institut für Productietechnik van het KIT toe. In plaats daarvan geeft het dauwpunt de temperatuur aan die nodig is om vocht te condenseren. Dit wil zeggen: hoe lager het dauwpunt, hoe droger de lucht. “Bij een dauwpunt van -50 °C komen met betrekking tot het volume bij een miljoen luchtmoleculen minder dan 100 watermoleculen voor”, maakt Henschel duidelijk. “Dat komt overeen met een relatieve luchtvochtigheid van ruim onder één procent.”

Met behulp van de robots van KUKA hebben we industriële nauwkeurigheid bereikt – met een mate van flexibiliteit die we anders alleen uit de handmatige productie kennen.

Sebastian Henschel, technisch directeur van AgiloBat aan het KIT

Mens wordt van proces gescheiden – dankzij innovatieve automatisering

Een cruciale factor zijn daarbij de medewerksters en medewerkers: "Mensen bestaan voor 80 procent uit water, dat is bij dergelijke processen allesbehalve handig", aldus Henschel. “En zelfs als we in absolute rust zijn, ademen we elk uur minstens 120 gram puur vocht uit”, vult Nicole Neub aan. "Dat zijn vochthoeveelheden die een stabiel dauwpunt van bijvoorbeeld -50°C aanzienlijk be?nvloeden, en dat op een negatieve manier." Om de productieomgeving echt droog te krijgen, moet de factor mens dus zo veel mogelijk buiten de productie worden gehouden. En precies hier zet Exentec aan: “In onze mini environment scheiden we de mens dankzij de behuizing consequent van het productieproces”, legt Nicole Neub uit. "Dat kan natuurlijk alleen als deze volledig geautomatiseerd draait." Hier spelen de robots van KUKA een belangrijke rol.

De twee KR SCARA en de KR CYBERTECH nano werken in het mini environment met uiterste efficiëntie en precisie samen.

Talrijke succesvolle projecten bij klanten spreken voor KUKA

In het kader van AgiloBat wordt gebruik gemaakt van vier KR CYBERTECH nano, een KR 4 AGILUS?en, voor de celstacking, twee KR SCARA?– en dat tot volledige tevredenheid van de voor het project verantwoordelijke medewerksters en medewerkers. "Fabrikanten van accucellen gebruiken de robots van KUKA al jaren in grote aantallen in de dryroom om de vervuiling van de omgeving door medewerksters en medewerkers te reduceren en de productiekwaliteit te verhogen", aldus Thomas Schmidberger, Business Development Manager bij KUKA. Bij KUKA is men al enige tijd in gesprek met fabrikanten van accu's als het om technologische vereisten voor dryrooms gaat. “De vereisten aan onze producten in de dryroom kennen we dankzij talrijke succesvolle klantprojecten en deze worden voortdurend samen met toonaangevende industri?le experts geanalyseerd”, benadrukt Schmidberger. Als toonaangevende robotfabrikant werkt KUKA aan een certificering van de robots voor het gebruik in dryrooms.

De door de onderzoekers van het KIT ontwikkelde robotcellen vormen een wereldprimeur.

Robots van KUKA bieden bijzondere uitdagingen in dryrooms het hoofd

Immers, het gebruik in dryrooms brengt voor de robots bijzondere uitdagingen met zich mee. Zo kan de extreem lage luchtvochtigheid tot een hogere mate van slijtage leiden. Dit geldt met name voor materialen die weekmakers bevatten, bijvoorbeeld afdichtingen of kabelverbindingen: Bij langdurig gebruik in de dryroom kunnen deze sneller poreus worden en in het meest ongunstige geval zelfs breken.?

De robots van KUKA bieden de bijzondere uitdagingen in dryrooms het hoofd.

Ook de werking van smeervetten kan hierdoor worden beperkt, omdat deze waterbestanddelen verliezen. Speciale uitdagingen dus – waar bij KUKA rekening mee wordt gehouden: sinds 2020 konden de automatiseringsexperts uit het Zuid-Duitse Augsburg al ruimschoots ervaring opdoen met meer dan 10.000 robots in de productie van accucellen, waarvan meer dan 1.000 in dryroomtoepassingen. De feedback van klanten is daarbij over het algemeen positief.

Fabrikanten van accucellen gebruiken al jaren robots van KUKA in dryrooms om de vervuiling van de omgeving te reduceren en de productiekwaliteit te verbeteren.

Thomas Schmidberger, Business Development Manager bij KUKA

Herhaalbaarheid en nauwkeurigheid vs. flexibiliteit

De productie in mini environments door middel van automatisering is echter niet alleen voor de productie van accucellen interessant, maar ook voor tal van andere branches: “In de halfgeleidersector is het thema van essentieel belang, net als in de farmaceutische industrie”, aldus Nicole Neub van Exentec. Hier komen de voordelen van het brede productassortiment van KUKA volledig tot hun recht: dankzij de veelzijdigheid en de flexibiliteit kunnen de robots voor volledig verschillende bereiken, producten en omgevingen worden gebruikt.?

De KR CYBERTECH nano kan flexibel in het systeem worden geïntegreerd.

Dat heeft ook het project aan het KIT aangetoond: “We wilden een maximaal flexibel systeem opbouwen door verschillende processtappen en productiemodules in kaart te brengen en vervolgens met elkaar te verbinden”, aldus de voor AgiloBat verantwoordelijke technisch directeur Sebastian Henschel. ?Hierbij hebben de robots van KUKA zich van hun beste kant laten zien. Met behulp van de robots hebben we een zeer hoge mate van industri?le herhaalbaarheid en nauwkeurigheid bereikt – in combinatie met een flexibiliteit die we anders alleen uit de handmatige productie kennen.”

Aantrekkelijke oplossing voor de productie, ook in kleine en middelgrote bedrijven

Deze kenmerken zijn bijzonder aantrekkelijk voor kleine en middelgrote bedrijven – niet geheel toevallig heeft het team van KIT bij AgiloBat samengewerkt met middelgrote machine- en installatiebouwers. Mini environments en automatisering stellen de fabrikanten in staat om concurrerende installatietechniek langs de kritische procesketen binnen voor dryrooms relevante productieomgevingen te kunnen aanbieden. Dankzij de inzichten uit AgiloBat kunnen accucellen flexibelgeproduceerd en nieuwe materiaalsystemen door een industri?le productie met kleine hoeveelheden getest worden. “Ten slotte mogen we ook niet vergeten dat bij deze chemische processtappen van de accuproductie met kritische stoffen wordt gewerkt”, aldus Thomas Schmidberger. "De op robots gebaseerde automatisering in combinatie met het gebruik van mini environments beschermt dus ook de gezondheid van medewerksters en medewerkers."

Net als alle overige componenten van KUKA voldeed ook de KR CYBERTECH nano in het kader van het project AgiloBat aan de door de onderzoekers gestelde eisen – en wel tot volle tevredenheid.

Door mini environments en zodoende de consequente scheiding van mens en proces kunnen de lopende kosten aanzienlijk worden verlaagd.

Nicole Neub, directeur accutechnologie bij Exentec

Aanzienlijke besparingen op lopende kosten en middelen

Vooral kan door de bij AgiloBat toegepaste productieprocessen aanzienlijk op ressources worden bespaard – en wel op twee manieren: enerzijds is duidelijk minder energie nodig dan bij de conventionele productie. “In de gigafactories is alleen al voor het produceren van dryrooms 25 tot 40 procent van de totale energiebehoefte benodigd. En daarbij "vechten" we constant tegen het continu binnendringende vocht van alle personen die zich in de dryroom bevinden”, licht Nicole Neub toe. ?Door mini environments en dus door de consequente scheiding van mens en proces kunnen dit aantal en dus ook de lopende kosten, d.w.z. de OPEX, aanzienlijk worden verlaagd.“ Ten tweede wordt het percentage aan niet bruikbare, afgekeurde producten aanzienlijk gereduceerd: “Bij de grote installaties hebben we, zelfs als deze op de productie zijn ingespeeld, soms 15 tot 20 procent afgekeurd materiaal dat afgevoerd of gerecycleerd moet worden”, rekent Sebastian Henschel van het wbk voor. "Ook dit percentage kunnen we door de flexibilisering van de productie aanzienlijk verlagen." De robots van KUKA maken het mogelijk!