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 Exentec, einem Spezialisten für Rein- und Trockenräume.
Jeder Prozessschritt in einem MiniEnvironment
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 ein 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. 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. „Das hat nichts mit der Temperatur der Produktionsumgebung zu tun“, erklärt der technische Leiter des AgilotBat-Projekts Sebastian Henschel. Vielmehr gibt der Taupunkt diejenige Temperatur an, auf die Luft heruntergekühlt werden muss, damit Feuchtigkeit kondensiert. Sprich: Je tiefer der Taupunkt, desto trockener die Luft. „Bei einem Taupunkt von -50°C kommen nach Volumen auf eine Million Luftmoleküle weniger als 100 Wassermoleküle“, macht Henschel deutlich. „Das entspricht einer relativen Luftfeuchtigkeit von weit unter einem Prozent.“
Der Mensch wird vom Prozess getrennt
Ein entscheidender Faktor sind dabei die Mitarbeitenden: „Wir Menschen bestehen zu 80 Prozent aus Wasser, das ist in so einem Prozess alles andere als hilfreich“, sagt Henschel. „Und selbst wenn wir uns in absoluter Ruhe befinden, atmen wir jede Stunde mindestens 120 Gramm pure Feuchtigkeit aus“, ergänzt Nicole Neub, Direktorin der Abteilung Batterietechnologie bei Exentec. „Das sind Feuchtigkeitsmengen, die einen stabilen Taupunkt von beispielsweise -50°C erheblich negativ beeinflussen.“ Um die Produktionsumgebung richtig trocken zu kriegen, müsse man also die Menschen so weit wie möglich aus dieser heraushalten. Genau das ist der Ansatz von Exentec: „In unserem Mini-Environment trennen wir durch die Einhausung den Menschen konsequent vom Prozess“, erklärt Nicole Neub. „Das geht natürlich nur, wenn der Prozess vollautomatisiert läuft.“ 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. „Batteriezell-Hersteller verwenden seit Jahren Kuka-Roboter in großen Stückzahlen im Trockenraum, um die Umgebungskontaminierung durch Mitarbeitende zu reduzieren und die Produktionsqualität zu steigern“, sagt Thomas Schmidberger, Business Development Manager bei Kuka. Bei dem Roboterhersteller sei man seit geraumer Zeit im Austausch mit Batterieproduzenten bezüglich deren technologischer Anforderungen an Trockenraum-Umgebungen.
Herausforderungen im Trockenraum
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, z.B. 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.
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