Auf deutschen Straßen sind immer mehr Elektroautos unterwegs. Damit die steigende Nachfrage nach den Fahrzeugen gedeckt werden kann, braucht es vor allem qualitativ hochwertige Lithium-Ionen-Batterien. Um dies zu erreichen, sollten sie im Idealfall bei minimaler Luftfeuchtigkeit und möglichst großer Partikelfreiheit in sogenannten Trockenreinräumen gefertigt werden. Speziell für diesen Anwendungsfall stellen zertifizierte Energieketten von igus einen effizienten und hochwertigen Produktionsprozess sicher.
» Gastbeitrag der igus GmbH
Der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien ist riesig: Jährlich soll der globale Batteriemarkt um 34 Prozent wachsen und sich bis zum Jahr 2030 im Vergleich zu 2020 verachtzehnfachen. Der Grund für diesen rasanten Anstieg ist schnell gefunden: Weltweit sind immer mehr Elektroautos unterwegs, deren Herzstück hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien sind. Nicht zuletzt entfallen 80 Prozent der globalen Nachfrage nach dieser Technologie auf die Nutzung in Elektrofahrzeugen. Bei den mobilen Kraftspeichern handelt es sich um komplexe chemische Bauteile, die hohen Ansprüchen an ihre Qualität und Lebensdauer genügen müssen. Um der stark steigenden Nachfrage gerecht werden zu können, wird der Herstellungsprozess immer weiter optimiert. Während der Fertigung darf es auf keinen Fall zu Verunreinigungen kommen, die die Lebensdauer und die Batteriekapazität beeinträchtigen könnten. Die Hersteller kombinieren deshalb zwei Produktionsumgebungen: den Trockenraum und den Reinraum. Ein Reinraum – wie er etwa aus der Halbleiterproduktion, der Pharmaindustrie oder der Biologie bekannt ist – zeichnet sich durch seine beinahe vollständige Keim- und Staubfreiheit aus, die Menge an luftgetragenen Partikeln ist möglichst gering. Ergänzt wird das Konzept um den Trockenraum, in dem die Luftfeuchtigkeit unter fünf Prozent, teils sogar unter einem Prozent liegt. Die Kombination der beiden Räume als Trockenreinraum schafft in der Batteriezellenfertigung eine optimale Produktionsumgebung, die die empfindlichen Bauteile vor Korrosion schützt. Dennoch stellen die extremen Umgebungsbedingungen im Trockenreinraum auch enorme Herausforderungen an die darin verbaute Technik.
Der Kölner motion plastics Spezialist igus liefert nun Lösungen mit unterschiedlichen Produkten, die für den Einsatz im Trockenreinraum zertifiziert sind. Dass Hochleistungskunststoffe im Trockenreinraum verwendet werden, war in der Vergangenheit ungewöhnlich: Der Trockenreinraum entzieht den Kunststoffen typischerweise die Feuchtigkeit, sodass sich die mechanischen Eigenschaften der Bauteile ändern. Dennoch bieten Energieketten gerade im Trockenreinraum auch verschiedene Vorteile: Sie liefern eine lange Lebensdauer von mehreren Millionen Doppelhüben, sind flexibel einsetzbar und wartungsfrei.
Zunehmende Automatisierung im Trockenreinraum: triflex R TRC Energiekette für Roboteranwendungen
Wie viele andere Branchen unterliegt auch die Batterieproduktion einer steigenden Automatisierung. Gerade hier muss automatisiert werden, weil sich Menschen nicht lange in Trockenreinräumen aufhalten dürfen. Aufgrund der zunehmenden Zahl an eingesetzten Anlagen und Systemen wächst auch der Bedarf an einer zuverlässigen und reibungslosen Leitungsführung, die den hohen Anforderungen im Trockenreinraum gerecht wird. igus hat für solche Anwendungen unter anderem die triflex TRC.40.058.0.ESD entwickelt: die erste dreidimensional bewegliche Energieführung mit Trockenreinraumzertifikat des Fraunhofer IPA. Sie wurde speziell für die sichere Leitungsführung an Industrierobotern entwickelt, die in der Batteriezellenfertigung zum Einsatz kommen. Die triflex R TRC nutzt ein integriertes Federstabmodul, um die Energiekette bis zur fünften Achse zu stabilisieren und einen Kontakt zwischen Roboter und Energiekette zu verhindern. Dies ermöglicht einen nahezu berührungsfreien Produktionsablauf, sodass bei den Rotationsbewegungen keine Partikeln erzeugt werden. Zudem besteht die Energiekette komplett aus ableitfähigem ESD-Material, was die Anwendungsmöglichkeiten erweitert. Nach den Tests des Fraunhofer IPA erhielt das komplette System aus Kette und Federstabmodul als erstes Produkt dieser Art die Zertifizierung für die ISO-Klasse 4 – und damit das bestmögliche Ergebnis, das mit dem aktuellen Stand der Technik erzielt werden konnte. Nur bei schnelleren Bewegungen (v = 2,0m/s // a = 4,0m/s²) erhält das System die ISO-Klasse 5.
Bestmögliche ISO-Klasse für Energiekette E6.29
Doch die triflex R TRC ist nicht das einzige Produkt von igus, das für die Anwendung im Trockenreinraum geeignet ist. Bereits im vergangenen Jahr wurde die robuste E6.29 Energiekette von igus als allererste Leitungsführung überhaupt vom Fraunhofer IPA unter Trockenreinraumbedingungen getestet und zertifiziert. Für den Test hat das Fraunhofer IPA gemeinsam mit dem Tübinger Hersteller Cellforce ein mobiles Trockenreinraumzelt entwickelt. Die Batteriezellenfertigung geht mit langen Planungs- und Realisierungszeiten, einem großen Flächenbedarf und der notwendigen langfristigen Belegung von Produktionsfläche einher. Klassische stationäre Reinräume sind daher nicht für alle Anwendungen die optimale Lösung. Das DryClean-CAPE als flexiblere und kostengünstigere Alternative zu klassischen stationären Reinräumen schafft nicht nur eine hochreine, sondern auch eine Produktionsumgebung mit geringer Luftfeuchte. Trockenheit und Partikelfreiheit werden dabei durch unterschiedliche Aufbereitungsanlagen sichergestellt. Diese einzigartige Kombination bietet die optimale flexible Produktionsumgebung.
Geprüft wurde die E6.29, ebenso wie die TRC.40, in einem Trockenreinraum mit einem Taupunkt von -40 °C, das entspricht einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als einem Prozent bei 22 °C Raumtemperatur. Nach den Tests erhielt die Energiekette die ISO-Klasse 4 – das bestmögliche Ergebnis, da zum aktuellen Stand der Technik in einem Trockenreinraum der ISO-Klasse 3 getestet wurde. Damit erfüllt auch die E6 die höchsten Ansprüche für den Einsatz in Trockenreinräumen. Für igus ist das ein weiterer Durchbruch in der Arbeit mit dem Energieketten-Klassiker E6: Seit vielen Jahren schon sorgt die robuste Kette in unterschiedlichen Branchen weltweit für eine sichere Energieführung. Sie ist mit sieben Innenhöhen und verschiedenen Breiten direkt ab Lager verfügbar, sodass Anwender die Ketten im Handumdrehen einbauen können – zum Beispiel als Lösung für die 7. Roboterachse. Ergänzt werden die Tests des Fraunhofer IPA durch die kontinuierlichen Prüfungen im igus Labor – im Dauertest der E6-Verbinder im Trockenschrank wurden bereits mehr als 10 Millionen Doppelhübe erreicht.
Auch Leitungen spielen eine Rolle im Reinraum
Aufgrund der immer weiter steigenden Nachfrage im Bereich der Fertigung von Lithium-Ionen-Akkus testet igus derzeit eine Vielzahl an weiteren Lösungen in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA. Neben Energieketten wie der E6 liefert igus mit der e-skin flat heute schon ein nach ISO-Klasse 1 zertifiziertes Flachbandkabel für Reinraumanwendungen. Die Weiterentwicklung e-skin soft bietet einen größeren Innenraum und mit der e-skin soft ESD eine Lösung aus ableitfähigem Material im Reinraum.
Dennoch müssen in Reinräumen nicht nur die Leitungsführungen zertifiziert sein, auch an die Leitungen selbst stellen die Anwender verschiedene Anforderungen. Typische Materialien können langfristig ausgasen, Partikeln in die Umgebung abgeben oder bestimmte Bestandteile wie Silikon enthalten, die in Reinräumen nicht verwendet werden dürfen. Mit der chainflex CFCLEAN bietet igus Leitungsadern mit einer Garantie von 40 Millionen Doppelhüben und einer erhöhten Strombelastbarkeit, welche die Anforderungen des Reinraums erfüllt. Mit seinen Produkten unterstützt igus eine Vielzahl an Reinraumanwendungen in der Halbleiterfertigung, der Mikroelektronik und in weiteren Branchen.
Mit der Zertifizierung für Trockenreinräume soll das Portfolio von igus unter anderem auch für die Batteriezellenfertigung weiter ansteigen. Damit leistet das Unternehmen einen wichtigen Beitrag zur Förderung der Elektromobilität auf dem Weg zu einem nachhaltigeren Planeten.
