Stor robotautomationspotential i batteriproduktion

Den tyska tidningen ROBOTIK UND PRODUKTION har intervjuat fyra stora robotillverkare om pågående  trender inom batteriproduktion. Respondenterna från Kuka, ABB, Stäubli och Yaskawa har delat med sig av sin syn på robotapplikationer inom batteriproduktion där man även bedömde potentialen för batteriproduktion i Tyskland och Europa jämfört med Asien och USA.

Dr. Joachim Döhner, Kuka: Batterimarknaden är stor och framför allt mycket dynamisk. Därför finns det många tillämpningar där våra automationslösningar används, särskilt vid montering av batterier. Vi arbetar med standardiserade produktions- och monteringslösningar för batteripack- och batterimodulproduktion. Dessutom levererar Kuka produktions- och monteringslinjer för bränsleceller eller deras komponenter. Från enskilda battericeller till batterimoduler och batteripack använder vi robotar i våra anläggningar, men vi använder också alternativa lösningar där det är tekniskt meningsfullt och fördelaktigt. Jag bedömer potentialen för Tyskland och Europa som mycket hög; trenden går mot att tillverka närmare konsumenten.

Jörg Rommelfanger, ABB: Batteriet är kärnelementet i elektrisk mobilitet och har en värdeandel på upp till en tredjedel av hela elfordonet. Robotik spelar en nyckelroll för att kostnadseffektivt producera batterier och samtidigt säkerställa säkerhet, kvalitet och spårbarhet. ABB:s koncept för flexibel produktion innebär tillverkningsceller som styrs av våra autonoma mobila robotar. Vi kompletterar detta med en ny serie stora robotar samt olika funktionspaket för tillämpningar som limning, målning och svetsning. Produktionsarkitekturen baseras på enhetliga robotceller som gör det möjligt för tillverkarna att snabbt validera robotceller och distribuera dem globalt med enhetliga kvalitets- och säkerhetsstandarder. Samtidigt får tillverkarna flexibilitet att anpassa sin kapacitet i realtid.

Peter Pühringer, Stäubli: Vi ser batteriproduktion och produktion av bränsleceller som dynamiska tillväxtmarknader med stor potential. Våra robotar är lämpliga för alla möjliga tillämpningar inom batteri- och bränslecellstillverkning på grund av sin slutna konstruktion och renrumsdesign. Egenskaper som precision, dynamik och hygien kvalificerar Stäubli-robotar för känsliga tillämpningar inom halvledar-, läkemedels- och livsmedelsindustrin, robotarna spelar också en avgörande roll inom vissa batteriapplikationer.

Vilka robotbaserade processer är ni specialiserade på inom batteritillverkning?

Rommelfanger, ABB: Nyckelrobotikprocesser inkluderar Cell2Pack och Module2Pack, vilket båda i huvudsak innefattar montering av batteripack. Cell2Pack beskriver direktintegration av battericellen i batteripacket, medan Module2Pack innebär att battericellerna integreras i ett batteripack. Vi ser dock att alltmer högre produktivitet och lägre kostnader uppnås när battericeller monteras direkt till packet. Dessutom innefattar den robotstyrda tillverkningen av s.k. Battery Trays, dvs. byggandet av skalet inklusive påläggning och förslutning.

Pühringer, Stäubli: Med våra fyra- och sexaxliga robotar kan vi simulera alla processsteg i batteri- och bränslecellstillverkning där användningen av robotar är meningsfull. Det inkluderar även processer som inte kan utföras med standardrobotar på grund av specifika krav på robotarna. Jag tänker här på produktionen av nickelhaltiga battericeller där vissa processsteg utförs under extremt torra förhållanden – relativ luftfuktighet 0,5%, daggpunkt -45°C. Stäubli-roboter är kvalificerade och certifierade för användning under dessa förhållanden. Dessutom kan våra robotar arbeta i syrahaltiga miljöer vid tillverkning av bränsleceller.

Döhner, Kuka: Vid tillverkning av batterier används robotar främst för hantering, såsom positionering av komponenter och hämtning från lastbärare, samt för processtyrning, t.ex. laser- eller friktionssvetsning, skruvning, bearbetning av ytor, applicering av lim eller folie. Förutom processtyrning engagerar vi också vår expertis i utformningen av själva processerna.

Vilka tillämpningar har ni redan implementerat?

Pühringer, Stäubli: Stäubli-robotar används i nästan alla områden av batteri- och bränslecellstillverkning runt om i världen. Vi har genomfört några pionjärapplikationer, t.ex. i Kina, där Palcan Group har satt i drift en helt automatiserad produktionslinje för bränsleceller. Här utför våra robotar känsliga hanteringsuppgifter vid montering av membranelektroder för metanolreformering av bränsleceller. Våra robotar används också vid tillverkning av batterimoduler. Typiska tillämpningsområden inkluderar hanteringsprocesser, fjärr-lasersvetsning vid produktion av litiumjonbatteripack, liksom hela området av kvalitetskontroller. Ytterligare användningsområden finns vid montering av elektronikenheter i batteripack, elektrolytfyllning

Döhner, Kuka: Under de senaste tio åren har vi levererat anläggningar för batteriproduktion över hela världen. Det inkluderar kompletta linjer för produktion av batterimoduler och -packs, liksom testsystem, pilotanläggningar eller FSW-applikationer som erbjuder betydande fördelar inom produktion av batterihöljen, men också för demontering av batteripack och deras återvinning – här ökar behovet. Vi har också implementerat applikationer för konstruktion av batterihöljen med hjälp av FSW-applikationer eller stapelapplikationer. I vårt koncept för flexibel produktion används tillverkningsceller som betjänas av våra autonoma mobila robotar.

Rommelfanger, ABB: Vi är starka inom olika robotstödda svetsaktiviteter, särskilt vid tillverkning av batteriskal och -lock. Dessutom inkluderar det olika monterings- och hanteringsuppgifter, t.ex. för höljet till batteripack eller för montering av battericeller. Dessutom använder tillverkare våra robotar för beläggning, limning och försegling, liksom för 3D-kvalitetskontroll.

Hur bedömer ni potentialen i Tyskland och Europa de kommande åren – jämfört med Asien och USA?

Döhner, Kuka: Med vår interna forsknings- och utvecklingsavdelning utvärderar vi marknaden. Jag bedömer potentialen för Tyskland och Europa som mycket hög; trenden går mot att tillverkningen sker närmare konsumenten – vilket innebär att produktionen ökar i Europa och Tyskland. Detta kräver en högre grad av automatisering på grund av det lokala ekonomiska, regulatoriska och sociala klimatet.

Pühringer, Stäubli: Om prognoserna stämmer så kommer 80 procent av fordonen att vara el-drivna år 2030, Vilket innebär att vi i Europa snabbt måste etablera en komplett infrastruktur för produktion av de nödvändiga batterierna. Globalt skulle då 50 till 60 miljoner batterier behövas, en betydande del av dessa måste då produceras i Europa. Eftersom batterierna är mycket tunga och anses vara farligt gods är interkontinentala transporter ingen lösning. Det betyder i sin tur att vi kan förvänta oss en enorm efterfrågeboom i Europa, där många gigafabriker kommer att etablera sig nära stora bilfabriker för att förenkla logistiken.

Rommelfanger, ABB: Rapporten ”Electric Vehicle Battery Supply Chain Analysis”, som vi har beställt, säger: 2036 kommer förmodligen vara året då fler helt elektriska personbilar säljs än fordon med förbränningsmotor. Det beror dock på hastigheten för lagstiftning och dessutom måste prisnivån för elbilar komma ner till rimliga nivåer. Asien är fn ledande inom batteriproduktion. Europa kommer dock att göra betydande framsteg de närmaste åren. Många ledande fordons- och batteritillverkare planerar eller bygger egna batterifabriker i europa. Dessutom planerar även amerikanska tillverkare kapacitetsutvidgningar. Det blir allt viktigare att batteripackmontering sker nära fordonsfabrikerna, dels av hållbarhetsskäl, dels för att minska transportkostnaderna. Samtidigt ökar flexibiliteten eftersom en cellbaserad tillverkning enkelt kan integreras i befintliga produktionslinjer.

Vilken expertis och kunskap är särskilt viktig för framgång inom denna bransch?

Dr. Michael Klos, Yaskawa: I vår roll som robotillverkare är det viktigt att stödja alla robotstyrda processer som är viktiga i batteriproduktionen, såsom hantering, montering/fogning/skruvning, bågsvetsning, lasersvetsning. Den stora utmaningen vid batteriproduktion ligger hos systemintegratören. Produkter, volymer och teknologiska krav förändras mycket snabbt, vilket gör att alla produktionsanläggningar fortfarande är mer eller mindre individuella projekt med mycket ingenjörsarbete och ständiga ändringar fram till leveransen. Detta driver upp risker och kostnader avsevärt och det finns inte mycket tid för systemintegratören att utveckla standardiserade cellkoncept för att konsolidera ingenjörskostnader, leveranstider och risker. Erfarenhet och moderna ingenjörsmetoder inom tekniskt avancerad anläggningsbyggnad samt en struktur med flexibla leverantörer och deras underleverantörer kännetecknar dock den mycket framgångsrika tyska maskin- och anläggningsindustrin globalt, vilket är något vi bör framhäva gentemot en eventuell kinesisk dominans.

Rommelfanger, ABB: Det höga priset på elbilar utgör  fn en barriär för att öka marknaden ytterligare. Att sänka fordonskostnaderna har därför blivit en viktig fråga för hela branschen. Eftersom batteriet utgör upp till en tredjedel av fordonskostnaderna är lösningar avgörande som förbättrar produktiviteten inom batteriproduktion. Våra lösningar bidrar till att öka produktiviteten, kvaliteten och säkerheten samt sänka kostnaderna för färdiga batteripack genom automatiserad montering.

Pühringer, Stäubli: Stäubli har redan expertis och referenser för nya tillämpningar och kan vara en kompetent partner för fordonsindustrin. Vi har etablerat expertteam för dessa nya områden mycket tidigt och har tillsammans med anläggningsbyggare och tillverkare bekantat oss med kraven på robotik inom dessa nya tillämpningsområden. Därefter har vi konsekvent utformat vår robotportfölj efter de krävda egenskapsprofilerna. Därför är våra robotar idag även lämpliga för automatiserad produktion av elbilsbatterier och bränsleceller med tanke på renrumsanvändning, syrabeständighet och motståndskraft mot fukt eller extrem torka.

Döhner, Kuka: Inom batteriproduktionsbranschen krävs framför allt expertis inom process- och hanteringsområden. Dessutom är en övergripande syn på komplexa produktionslinjer viktig, vilket även tar hänsyn till tillgänglighet och robusthet för linjerna, deras logistiska försörjning samt den operativa driften och underhållet. Kärnan i ett elfordon består av batteriet som innehåller många enskilda komponenter och elektroniska delar. Montering och hantering kräver därför hög precision på begränsad yta.