微型環(huán)境中的電池單元制造：干燥室柔性自動(dòng)化解決方案

從電動(dòng)汽車(chē)到通信和醫(yī)療技術(shù)，再到智能工具與家用電器：當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄姵氐男枨笈c日俱增。然而超級(jí)工廠的生產(chǎn)方式卻消耗著驚人的能源。此外，大型產(chǎn)線還存在嚴(yán)重的靈活性缺陷。如今，卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) wbk 生產(chǎn)技術(shù)研究所成功驗(yàn)證了一項(xiàng)頗具潛力的替代方案。解決方案：微型環(huán)境全流程封裝。其中的關(guān)鍵角色：KUKA 機(jī)器人。

未來(lái)電池單元生產(chǎn)的核心方向：高能效潔凈室和干燥室

在卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) wbk 生產(chǎn)技術(shù)研究所，前瞻性電池生產(chǎn)技術(shù)已觸手可及。為了使電池生產(chǎn)更加靈活高效，研究人員在 AgiloBat 項(xiàng)目框架下開(kāi)發(fā)了一套鋰離子電池柔性制造系統(tǒng)：通過(guò)基于機(jī)器人的微型環(huán)境自動(dòng)化技術(shù)，我們實(shí)現(xiàn)了以往僅在手工作坊中才能達(dá)到的生產(chǎn)靈活性。?

KR 4 AGILUS 正在卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) 某機(jī)器人工作站中運(yùn)行。

通過(guò)可調(diào)節(jié)的工藝流程與程序變更，可在干燥室環(huán)境中生產(chǎn)各類(lèi)異形電池，而無(wú)需繁瑣的設(shè)備改造。為此，研究人員開(kāi)發(fā)了特殊的機(jī)器人工作單元，其結(jié)構(gòu)和性能均屬全球首創(chuàng)。該工作單元由 Exentec Germany GmbH（Exyte Group 旗下企業(yè)）完成設(shè)計(jì)與建造。Exyte 是一家總部位于斯圖加特的國(guó)際化企業(yè)，專(zhuān)注于建筑技術(shù)與工廠工程領(lǐng)域。公司致力于為高科技產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)、規(guī)劃并提供可持續(xù)及超凈制造設(shè)施，服務(wù)范圍涵蓋半導(dǎo)體與電池工廠、數(shù)據(jù)中心以及生物制藥設(shè)施等。Exentec 的核心業(yè)務(wù)重點(diǎn)之一正是潔凈室與干燥室。或者用 Exentec 電池技術(shù)部門(mén)總監(jiān) Nicole Neub 的話來(lái)說(shuō)：“我們負(fù)責(zé)為電池制造過(guò)程提供必需的干燥空氣環(huán)境。”

微型環(huán)境中的全工序流程

眾所周知，電池生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境空氣的濕度必須嚴(yán)格控制在極低水平。更準(zhǔn)確地說(shuō)：為防止敏感電池材料在加工過(guò)程中發(fā)生氧化或吸潮現(xiàn)象，相對(duì)濕度通常需控制在 1% 以下。原因在于：若濕度超標(biāo)，后續(xù)可能導(dǎo)致電池出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，甚至引發(fā)嚴(yán)重故障。

通常情況下，機(jī)器人工作單元內(nèi)的相對(duì)空氣濕度需保持在 1% 以下。

所需的干燥環(huán)境是在所謂的微型環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。“我們將各道生產(chǎn)工序及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立封裝，并將過(guò)濾后的空氣直接輸送至工藝點(diǎn)。”Nicole Neub 解釋道。“這確保僅向設(shè)備供給潔凈干燥的空氣，而無(wú)需處理車(chē)間內(nèi)未使用的冗余空間氣體。”在傳統(tǒng)電池量產(chǎn)中，通常將整個(gè)生產(chǎn)區(qū)域作為干燥室運(yùn)行，這不僅超出單道工序的實(shí)際需求，更造成巨大的能源消耗。

極度干燥的空氣環(huán)境：全流程封裝技術(shù)使之成為可能

在 AgiloBat 項(xiàng)目中，這通過(guò)模塊化箱體實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部露點(diǎn)溫度可低至 -50℃。“這與生產(chǎn)環(huán)境的溫度無(wú)關(guān)。”AgiloBat 項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人、卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) wbk 生產(chǎn)技術(shù)研究所的 Sebastian Henschel 解釋道。更準(zhǔn)確地說(shuō)，露點(diǎn)溫度是指空氣必須冷卻至使水分開(kāi)始凝結(jié)的臨界溫度值。簡(jiǎn)而言之：露點(diǎn)溫度越低，空氣越干燥。“當(dāng)露點(diǎn)溫度達(dá)到 -50℃ 時(shí)，每百萬(wàn)個(gè)空氣分子中水分子的含量不足 100 個(gè)。”Henschel 明確解釋道。“這意味著相對(duì)濕度遠(yuǎn)低于 1%。”

通過(guò)采用 KUKA 機(jī)器人，我們實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)精密制造 – 同時(shí)兼具以往僅在手工作業(yè)中才能達(dá)到的靈活性。

Sebastian Henschel，KIT AgiloBat 技術(shù)總監(jiān)

得益于創(chuàng)新自動(dòng)化技術(shù)，人員得以與生產(chǎn)流程完全隔離

其中，員工是一個(gè)關(guān)鍵因素：Henschel 表示：“人體 80% 由水分組成，在這樣的生產(chǎn)流程中這絕對(duì)是個(gè)不利因素。”“即便我們處于完全靜止?fàn)顟B(tài)，每小時(shí)仍會(huì)呼出至少 120 克純水分。”Nicole Neub 補(bǔ)充道。“這樣的濕度水平會(huì)對(duì)維持穩(wěn)定露點(diǎn)（例如 -50°C）造成顯著的負(fù)面影響。”這正是 Exentec 的創(chuàng)新理念：“我們的微型環(huán)境通過(guò)嚴(yán)格的工藝封閉設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人員與生產(chǎn)流程的徹底隔離。”Nicole Neub 解釋道。“當(dāng)然，這只有在全自動(dòng)化運(yùn)行的情況下才能實(shí)現(xiàn)。”而這正是 KUKA 機(jī)器人大顯身手之處。

兩臺(tái) KR SCARA 機(jī)器人和一臺(tái) KR CYBERTECH nano 機(jī)器人在微型環(huán)境中以極高的效率與精度協(xié)同作業(yè)。

眾多成功的客戶項(xiàng)目印證了 KUKA 的卓越實(shí)力

在 AgiloBat 項(xiàng)目中，四臺(tái) KR CYBERTECH nano、一臺(tái) KR 4 AGILUS?以及兩臺(tái)用于電池堆疊的 KR SCARA?機(jī)器人協(xié)同作業(yè) – 其卓越表現(xiàn)令項(xiàng)目負(fù)責(zé)人深感滿意。“多年來(lái)，電池制造商一直大批量采用 KUKA 機(jī)器人用于干燥室作業(yè)，這既減少了人員造成的環(huán)境污染，又提升了生產(chǎn)質(zhì)量。”KUKA 業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 Thomas Schmidberger 表示。KUKA 方面表示，公司長(zhǎng)期與電池制造商保持技術(shù)交流，深入了解其對(duì)干燥室環(huán)境的技術(shù)要求。“我們通過(guò)眾多成功的客戶項(xiàng)目，對(duì)干燥室環(huán)境中的產(chǎn)品要求了如指掌，并持續(xù)攜手行業(yè)頂尖專(zhuān)家對(duì)這些技術(shù)要求進(jìn)行深度分析。”Schmidberger 強(qiáng)調(diào)道。作為機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè) ，KUKA 正積極推進(jìn)適用于干燥室環(huán)境的機(jī)器人專(zhuān)項(xiàng)認(rèn)證。

由卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) 研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的機(jī)器人工作單元是一項(xiàng)全球首創(chuàng)技術(shù)。

KUKA 機(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)干燥室的特殊挑戰(zhàn)

因?yàn)樵诟稍锸抑惺褂脵C(jī)器人會(huì)帶來(lái)特殊挑戰(zhàn)。例如，極低的空氣濕度可能導(dǎo)致設(shè)備磨損加劇。這種情況尤其適用于含增塑劑的材料，例如密封件或電纜接頭：若長(zhǎng)期在干燥環(huán)境中使用，這些材料可能更快老化變脆，極端情況下甚至?xí)l(fā)生斷裂。?

即便是潤(rùn)滑脂也可能因水分流失而降低性能。特殊挑戰(zhàn) – KUKA 早已運(yùn)籌帷幄：自 2020 年以來(lái)，來(lái)自?shī)W格斯堡的自動(dòng)化專(zhuān)家已在電池制造領(lǐng)域部署超萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人，其中逾千臺(tái)應(yīng)用于干燥室環(huán)境。客戶反饋始終好評(píng)如潮。

多年來(lái)，電池制造商一直采用 KUKA 機(jī)器人用于干燥室生產(chǎn)，這既能有效降低環(huán)境污染物，又可顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量。

KUKA 業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 Thomas Schmidberger

精準(zhǔn)性與可重復(fù)性兼?zhèn)潇`活性

然而，采用自動(dòng)化技術(shù)的微型環(huán)境生產(chǎn)方式不僅對(duì)電池制造具有重大意義，更在多行業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景：Exentec 公司的 Nicole Neub 表示：“這一技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域至關(guān)重要，對(duì)于制藥行業(yè)也同樣如此。”這正是 KUKA 廣泛產(chǎn)品系列的優(yōu)勢(shì)所在：憑借其多功能性和靈活性，這些機(jī)器人能夠完美適配完全不同的領(lǐng)域、產(chǎn)品及生產(chǎn)環(huán)境。?

KR CYBERTECH nano 機(jī)器人可靈活集成至各類(lèi)生產(chǎn)系統(tǒng)中。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) 的項(xiàng)目也印證了這一點(diǎn)：“我們旨在打造一套極致靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，通過(guò)差異化生產(chǎn)模塊映射不同工藝步驟，再實(shí)施智能互聯(lián)。”AgiloBat 技術(shù)總監(jiān) Sebastian Henschel 解釋道。“在此過(guò)程中，KUKA 機(jī)器人展現(xiàn)出卓越性能。在他們的幫助下，我們實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)的重復(fù)精度與準(zhǔn)確性，更實(shí)現(xiàn)了媲美手工制造的靈活性。”

中小企業(yè)也能受益的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)方案

這些特性對(duì)中小企業(yè)尤其具有吸引力 – 這也正是 KIT 的 AgiloBat 團(tuán)隊(duì)選擇與中型機(jī)械設(shè)備制造商開(kāi)展合作的深層考量。通過(guò)微型環(huán)境與自動(dòng)化技術(shù)的融合，這些企業(yè)得以構(gòu)建干燥室生產(chǎn)場(chǎng)景中貫穿關(guān)鍵工藝鏈且具有競(jìng)爭(zhēng)力的生產(chǎn)裝備體系。基于 AgiloBat 的研究成果，企業(yè)既可實(shí)現(xiàn)電池柔性化生產(chǎn)，又能借助貼近工業(yè)量產(chǎn)的條件以微量材料試制新型材料體系。“我們絕不能忽視的是，在電池制造的這些化學(xué)工藝步驟中會(huì)涉及一些高危物質(zhì)的使用。”Thomas Schmidberger 強(qiáng)調(diào)道。“基于機(jī)器人的自動(dòng)化技術(shù)與微型環(huán)境的結(jié)合運(yùn)用，還能有效保障作業(yè)人員的健康安全。”

如同 KUKA 的所有產(chǎn)品一樣，KR CYBERTECH nano 機(jī)器人在 AgiloBat 項(xiàng)目中的表現(xiàn)也完全超出了研究人員的預(yù)期，完美滿足了各項(xiàng)技術(shù)要求。

通過(guò)采用微型環(huán)境并嚴(yán)格隔離人員與工藝流程，可顯著降低持續(xù)運(yùn)營(yíng)成本。

Exentec 公司電池技術(shù)總監(jiān) Nicole Neub

顯著降低運(yùn)營(yíng)成本與資源消耗

但更重要的是，通過(guò) AgiloBat 采用的生產(chǎn)工藝可以大幅節(jié)約資源 – 主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比能耗顯著降低。“在超級(jí)工廠中，僅維持干燥室環(huán)境就占全部能耗的 25% 至 40%。而我們卻要持續(xù)對(duì)抗每位進(jìn)入干燥室的人員所帶來(lái)的濕度影響。”Nicole Neub 說(shuō)道。“通過(guò)采用微型環(huán)境并嚴(yán)格隔離人員與工藝流程不僅能顯著降低這部分能耗比例，更能大幅減少運(yùn)營(yíng)成本（即 OPEX）。” 另一方面，不可用廢料也大幅減少：“即便是已調(diào)試完成的大型設(shè)備，其廢料率仍高達(dá) 15% 至 20%，這些材料只能丟棄或回收處理。”wbk 研究生的 Sebastian Henschel 算了一筆賬。“而通過(guò)生產(chǎn)流程的柔性化改造，我們成功將這一比率大幅降低。”這一切的實(shí)現(xiàn)，正是得益于 KUKA 機(jī)器人的技術(shù)支持！