Battericellsproduktion i minimiljöer: flexibel automation i torrum

Inom elektromobilitet, kommunikations- och medicinteknik, samt till smarta verktyg och hushållsapparater: Industrin behöver allt fler battericeller. Att producera dem i gigafabriker kräver dock enorma mängder energi. Dessutom är dessa stora produktionslinjerna allt annat än flexibla. Ett möjligt alternativ har nu testats framgångsrikt på wbk Institute of Production Science på KIT. Lösningen: Processer som kapslas in i minimiljöer. En av de viktigaste komponenterna: Robotar från KUKA.

Battericellsproduktionens framtid: energieffektiva renrum och torrum

P? wbk Institute of Production Science p? Karlsruher Institut für Technologie (KIT) kan man redan idag uppleva innovativ batteriproduktion. F?r att g?ra produktionen ?nnu mer flexibel och effektiv har forskare inom ramen f?r projektet AgiloBat skapat en effektiv och flexibel l?sning f?r tillverkning av battericeller till litiumjonbatterier: Med hj?lp av robotbaserad automation i minimilj?er uppn?ddes en flexibilitet som hittills endast varit m?jlig i sm?skalig, manuell produktion.?

KR 4 AGILUS i drift i en av KIT:s robotceller.

Tack vare anpassningsbara processer och program?ndringar kan vitt skilda cellgeometrier tillverkas i torrummet – utan att anl?ggningen beh?ver riggas om.?Forskarna utvecklade speciella robotceller vars utf?rande och design saknar motstycke. F?r design och konstruktion ansvarade Exentec Germany GmbH, ett f?retag i Exyte-gruppen. Exyte, ett internationellt verksamt f?retag inom byggnadsteknik och anl?ggningsbyggnad med huvudkontor i Stuttgart, projektutvecklar och levererar h?llbara, ultrarena produktionsanl?ggningar till h?gteknologiska industrif?retag, bland annat till halvledar- och batterifabriker, datacenter samt anl?ggningar i biofarmaindustrin. En av tyngdpunkterna f?r Exentec ?r renrum och torrum. Eller som Nicole Neub, chef f?r avdelningen f?r batteriteknik p? Exentec, sammanfattar det: ”Vi ansvarar f?r den torra luften som ?r en f?ruts?ttning f?r batteritillverkning.”

Alla processteg sker i minimilj?

Omgivningsluften vid tillverkning av battericeller f?r som bekant endast inneh?lla en mycket l?g andel fukt. N?rmare best?mt: F?r att det inte ska uppst? oxidation eller fuktinneslutningar vid bearbetningen av de k?nsliga batterimaterialen ligger den relativa luftfuktigheten oftast under 1 procent. Om den ?r h?gre kan det leda till kvalitetsproblem eller till och med kritiska batterifel.

Den relativa luftfuktigheten i robotcellerna brukar ligga under 1 procent.

Den n?dv?ndiga torrheten skapas i s? kallade minimilj?er. ”De enskilda processtegen i produktionen, liksom de tillh?rande maskinerna, kapslas in och filtrerad luft tillf?rs processen direkt”, ber?ttar Nicole Neub. ”Tack vare det endast maskinen som tillf?rs ren och torr luft – inte den stora, oanv?nda volymen i produktionshallen.” Vid industriell massproduktion av battericeller fungerar oftast hela produktionsytor som torrum, vilket inte ?r n?dv?ndigt f?r enskilda processer, och kr?ver dessutom stora m?ngder energi.

Extremt torr luft: Processinkapsling ?r l?sningen

I projektet AgiloBat sker detta med containerliknande l?dor d?r det r?der en daggpunktstemperatur p? upp till –50?°C. ”Denna siffra har inget med temperaturen i produktionsmilj?n att g?ra”, f?rklarar Sebastian Henschel, teknisk chef f?r AgiloBat-projektet p? KIT:s wbk Institute of Production Science. I st?llet anger daggpunkten den temperatur som luften m?ste kylas ner till f?r att fukten i luften ska kondenseras. Med andra ord: Ju l?gre daggpunkt, desto torrare luft. ”Vid en daggpunkt p? –50?°C finns det mindre ?n 100 vattenmolekyler per miljon luftmolekyler i volym”, ber?ttar Sebastian Henschel. ”Det motsvarar en relativ luftfuktighet l?ngt under en procent.”

Med hjälp av KUKA:s robotar har vi uppnått precision på industriell nivå och det med en flexibilitet som annars bara uppnås vid småskalig, manuell produktion.

Sebastian Henschel, teknisk chef för AgiloBat på KIT

M?nniskor separeras fr?n processer – tack vare innovativ automation

En avg?rande faktor ?r medarbetarna: ”Vi m?nniskor best?r till 80 procent av vatten, vilket inte ?r en f?rdel i dessa processer", f?rklarar Sebastian Henschel. ”Och ?ven i vila andas vi ut minst 120 gram ren fukt per timme”, till?gger Nicole Neub. ”Det ?r fuktm?ngder som har en mycket negativ inverkan p? en stabil daggpunkt p? exempelvis –50?°C.” F?r att produktionsmilj?n ska bli s? torr som m?jligt m?ste allts? m?nniskor h?llas borta fr?n den i s? h?g utstr?ckning som m?jligt. Precis det g?r Exentec: ”I v?r minimilj? separerar vi m?nniskor och processer p? ett konsekvent s?tt tack vare inkapslingen”, ber?ttar Nicole Neub. ”Detta ?r naturligtvis bara m?jligt i helt automatiserade processer.” Det ?r h?r KUKA:s robotar kommer in i bilden.

Två KR SCARA och en KR CYBERTECH nano samarbetar med maximal effektivitet och precision i minimiljön.

M?nga framg?ngsrika kundprojekt talar f?r KUKA

I AgiloBat-projektet anv?nds fyra KR CYBERTECH nano, en KR 4 AGILUS?samt f?r cellstacking tv? KR SCARA och de projektansvariga ?r hittills mycket n?jda. ”Battericellstillverkare anv?nder sedan l?ng tid KUKA-robotar i stora kvantiteter i sina torrum f?r att minska den kontaminering av omgivningen som medarbetarna orsakar, men ?ven f?r att?ka produktionskvaliteten”, ber?ttar Thomas Schmidberger, Business Development Manager hos KUKA. KUKA har under en l?ngre tid f?rt en dialog med batteritillverkare om de tekniska krav tillverkarna st?ller p? sina torrumsmilj?er. ”Kraven som v?ra produkter m?ste uppfylla i v?ra kunders torrum ?r vi v?l medvetna om efter alla framg?ngsrika kundprojekt och det ?r n?got vi analyserar l?pande tillsammans med ledande branschexperter”, betonar Thomas Schmidberger. Som ledande robottillverkare arbetar KUKA p? en certifiering av sina robotar avsedda f?r torrum.

De robotceller som utvecklats av forskarna på KIT saknar motstycke globalt.

KUKA:s robotar ?r som gjorda f?r torrum

Drift i torrum medf?r speciella utmaningar f?r robotar. Den extremt l?ga luftfuktigheten kan t.ex. orsaka h?gre slitage. Detta g?ller s?rskilt material som inneh?ller mjukg?rare, t.ex. t?tningar och kabelanslutningar: Vid l?ngvarig drift i torrum kan de bli por?sa snabbare, i v?rsta fall f? sprickor eller brott.?

KUKA:s robotar klarar de speciella utmaningar som råder i torrum.

?ven sm?rjfetter kan f? f?rs?mrad funktion p? grund av att deras vattenandelar minskar successivt. Minst sagt speciella utmaningar – som dock KUKA har full koll p?: Sedan 2020 har automationsspecialisten fr?n Augsburg redan hunnit samla erfarenheter fr?n ?ver 10?000 robotar som anv?nds inom battericellstillverkning, varav mer ?n 1?000 inom torrumstill?mpningar. Kundresponsen har varit genomg?ende positiv.

Battericellstillverkare använder sedan lång tid KUKA-robotar i sina torrum för att minska kontamineringen i produktionsmiljön samt för att öka produktionskvaliteten.

Thomas Schmidberger, Business Development Manager hos KUKA

Repeterbarhet och precision m?ter flexibilitet

Automatiserad produktion i minimilj?er ?r inte bara intressant inom battericellsproduktion utan ?ven f?r en l?ng rad andra branscher: ”Inom halvledarsektorn ?r fr?gest?llningen mycket viktig, liksom inom l?kemedelsindustrin”, ber?ttar Nicole Neub fr?n Exentec. Vid projektutvecklingen utnyttjas f?rdelarna med KUKA:s breda produktutbud fullt ut: Tack vare robotarnas m?ngsidighet och flexibilitet kan de anv?ndas f?r vitt skilda till?mpningar, produkter och milj?er.?

KR CYBERTECH nano integrerar sig flexibelt i systemet.

Detta har ?ven projektet p? KIT bevisat: ”Vi ville skapa ett s? flexibelt system som m?jligt genom att avbilda de enskilda processtegen med olika produktionsmoduler och sedan l?nka samman dessa”, ber?ttar Sebastian Henschel, teknisk chef f?r AgiloBat. ”KUKA:s robotar har levererat ?ver f?rv?ntan. Med deras hj?lp har vi uppn?tt industriell repeterbarhet och precision – kombinerat med en flexibilitet som annars bara uppn?s vid sm?skalig, manuell produktion.”

Intressant produktionsl?sning ?ven f?r sm? och medelstora f?retag

Dessa egenskaper ?r s?rskilt intressanta f?r sm? och medelstora f?retag. Det ?r d?rf?r ingen tillf?llighet att AgiloBat-teamet p? KIT har valt att samarbeta med sm? och medelstora maskin- och anl?ggningsbyggare. Minimilj?er och automation g?r det m?jligt f?r dem att erbjuda konkurrenskraftig anl?ggningsteknik, som kan integreras i den kritiska processkedjan i produktionsmilj?er med torrum. Erfarenheterna fr?n AgiloBat g?r det m?jligt f?r dem att tillverka battericeller p? ett flexibelt s?tt och testa nya materialsystem med sm? materialm?ngder n?ra industrin. ”Viktigt att komma ih?g ?r att det vid dessa kemiska processteg f?rekommer kritiska kemiska ?mnen vid batteriproduktionen”, f?rklarar Thomas Schmidberger. ”Robotbaserad automation i minimilj?er bidrar ?ven till att skydda personalens h?lsa.”

Som alla komponenter från KUKA uppfyllde även KR CYBERTECH nano kraven i AgiloBat-projektet till forskarnas fulla belåtenhet.

Minimiljöer och deras konsekventa separation av människor och processer leder till kraftigt sänkta driftskostnader.

Nicole Neub, chef för batteriteknik hos Exentec

Betydande besparingar i driftskostnader och resurser

Produktionsmetoder som anv?nds i AgiloBat-projektet kan spara avsev?rda resurser – och i tv? h?nseenden: F?r det f?rsta g?r det ?t betydligt mindre energi ?n vid konventionell produktion. ”I gigafabriker g?r mellan 25 och 40 procent av det totala energibehovet enbart till att skapa torrumsf?rh?llanden. Och vi torkar hela tiden luften f?r att motverka den fukt som tillf?rs av varje person som befinner sig i torrummet", f?rklarar Nicole Neub. ”Med minimilj?er och den konsekventa separationen av m?nniskor och processer kan denna siffra och d?rmed ?ven de l?pande kostnaderna, det vill s?ga OPEX, minskas avsev?rt.” Och f?r det andra minskas antalet produkter som m?ste kasseras avsev?rt: ”P? de stora anl?ggningarna, ?ven n?r dessa har k?rts in, m?ste ibland 15 till 20 procent av materialet kasseras eller ?tervinnas”, ber?ttar Sebastian Henschel fr?n wbk. ”?ven denna andel kan vi minska kraftigt genom att g?ra produktion mer flexibel.” KUKA:s robotar g?r det m?jligt!