Am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist zukunftsweisende Batterieproduktion schon jetzt erlebbar. Um diese flexibler und effizienter zu machen, haben Forschende im Rahmen des Projekts AgiloBat eine agile Zellfertigung aufgebaut: Mithilfe roboterbasierter Automatisierung in Mini-Enivronments wurde dabei eine Flexibilität erreicht, die bisher nur in der Manufaktur möglich war. Durch anpassbare Prozesse und Programmänderungen können verschiedenste Zellgeometrien hergestellt werden – ohne die Anlage aufwendig umrüsten zu müssen.
Hierfür entwickelten die Forschenden spezielle Roboterzellen, die hinsichtlich ihrer Beschaffenheit und Ausführung eine Weltneuheit darstellen. Konzipiert und gebaut wurden sie von der Exentec Germany GmbH, einem Unternehmen der Exyte Gruppe. Exyte, das internationale, in Stuttgart ansässige Unternehmen für Gebäudetechnik und Anlagenbau entwirft, plant und stellt nachhaltige und ultrareine Fertigungsanlagen für High-Tech-Industrien bereit, darunter Halbleiter- und Batteriefabriken, Datenzentren oder Anlagen für die Biopharma-Industrie. Einer der Schwerpunkte von Exentec sind Rein- und Trockenräume.
Jeder Prozessschritt in einem Mini-Environment
Bekanntermaßen darf die Umgebungsluft in der Produktion von Batteriezellen nur sehr wenig Luftfeuchtigkeit enthalten. Genauer gesagt: Damit es bei der Verarbeitung der empfindlichen Batteriematerialien nicht zu Oxidationen oder Feuchtigkeitseinschlüssen kommt, beträgt die relative Luftfeuchtigkeit meist weniger als 1 Prozent. Denn eine höhere relative Luftfeuchtigkeit kann später zu Qualitätsproblemen oder sogar kritischen Ausfällen der Batterien führen.
Hergestellt wird die benötigte Trockenheit in sogenannten Mini-Environments. Dabei werden einzelne Prozessschritte der Produktion und die zugehörigen Maschinen eingehaust und die gefilterte Luft direkt an den Prozess gebracht, damit nur die Maschine mit sauberer und trockener Luft versorgt wird und kein ungenutztes großes Volumen in der Produktionshalle. In der industriellen Massenfertigung von Batteriezellen werden meist gesamte Produktionsflächen als Trockenraum betrieben, was für einzelne Prozesse nicht erforderlich ist und große Mengen an Energie braucht. Im Projekt AgiloBat geschieht dies durch containerartige Kästen, in denen ein Taupunkt von bis zu -50 °C herrscht.
Der Mensch wird vom Prozess getrennt – dank Automatisierung
Um die Produktionsumgebung richtig trocken zu kriegen, muss man die Menschen so weit wie möglich aus dieser heraushalten. Und hier kommen die Roboter von KUKA ins Spiel. Im Rahmen von AgiloBat sind vier KR CYBERTECH nano, ein KR 4 AGILUS sowie, für das Zellstacking, zwei KR SCARA im Einsatz, um die Umgebungskontaminierung durch Mitarbeitende zu reduzieren und die Produktionsqualität zu steigern. Das Unternehmen ist seit geraumer Zeit im Austausch mit Batterieproduzenten bezüglich deren technologischer Anforderungen an Trockenraum-Umgebungen und arbeitet an einer Zertifizierung der Roboter für den Einsatz im Trockenraum.
Besondere Herausforderungen im Trockenraum
Denn der Einsatz im Trockenraum bringt für die Roboter besondere Herausforderungen mit sich. So kann die extrem niedrige Luftfeuchtigkeit zu höherem Verschleiß führen. Das gilt vor allem für Materialien, die Weichmacher enthalten, beispielsweise Dichtungen oder Kabelverbindungen: Bei Langzeitanwendung im Trockenraum können sie schneller porös werden, im ungünstigsten Fall sogar brechen. Aber auch Schmierfette etwa können an Funktionsfähigkeit einbüßen, weil sie Wasserbestandteile verlieren. Spezielle Herausforderungen also – die bei KUKA mitgedacht werden: Seit 2020 konnten die Automatisierungsexperten aus Augsburg schon Erfahrungen mit über 10.000 Robotern in der Batterieproduktion sammeln, davon mehr als 1.000 in Trockenraumanwendungen.
Attraktive Produktionsmöglichkeit auch für kleinere und mittlere Unternehmen
Das Team vom KIT hat bei AgiloBat mit mittelständisch geprägten Maschinen- und Anlagenbauern zusammengearbeitet. Mini-Environments und Automatisierung versetzen diese in die Lage, eine wettbewerbsfähige Anlagentechnik entlang der kritischen Prozesskette innerhalb trockenraumrelevanter Produktionsumgebungen anbieten zu können. Die Erkenntnisse aus AgiloBat ermöglichen es ihnen dabei, Batteriezellen flexibel zu fertigen sowie neue Materialsysteme durch industrienahe Fertigung mit kleinen Materialmengen zu erproben. Vor allem aber können durch die bei AgiloBat angewandte Produktionsverfahren erhebliche Ressourcen eingespart werden – und zwar in zweierlei Hinsicht: Zum einen braucht es deutlich weniger Energie als bei der herkömmlichen Produktion. Und zweitens wird der nicht verwendbare Ausschuss erheblich reduziert .
