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SCARA-Roboter können die Produktion von Automobil-Batterien schnell und flexibel automatisieren. Sie bieten eine Plattform für die präzise Hochgeschwindigkeits-Handhabung von Batteriemodulen für End-of-Line-Tests und -Montagen.
Der Absatz von Elektrofahrzeugen verzeichnet einen deutlichen Anstieg, da neue Modelle angeboten werden und sich die Gebrauchstauglichkeit und Reichweite spürbar verbessert haben. Da die Umweltgesetzgebung die Kategorie der Elektroautos immer mehr in den Vordergrund rückt, werden auf dem Markt immer mehr E-Fahrzeuge angeboten, die künftig auch deutlich kostengünstiger werden sollen. Indem sie ihre Produktion erhöhen, mehr Fahrzeuge ausliefern und damit gleichzeitig Skaleneffekte nutzen, können die Automobilhersteller beide Anforderungen erfüllen.
Die Massenfertigung ist eine anerkannte Kompetenz der Automobilindustrie. Schon jetzt besteht der Bedarf, eine große Anzahl von Batterien mit der entsprechenden Leistung und Kapazität für E-Fahrzeuge zu bauen – bis zu 100 kWh und darüber hinaus.
Qualität, Stückzahlen und Wirtschaftlichkeit
Neue Batteriefabriken entstehen, um die wachsende Nachfrage nach Großbatterien zu bedienen. Der Bedarf kommt nicht nur von der Automobilindustrie, sondern auch von anderen Projekten im Bereich umweltfreundlichen Energiemanagements – wie der Energienetz-gekoppelten Speicherung. Die Automatisierung der gesamten Prozesskette von Anfang bis Ende steht im Einklang mit den Zielen der Batteriehersteller, Stückzahlen zu erhöhen, Skalierungsvorteile zu nutzen und Wiederholbarkeit zu gewährleisten, die zu gleichbleibend hoher Qualität führt. Darüber hinaus ist es notwendig, Batteriekapazität und Leistungsdaten, wie z. B. Reichweite, zu maximieren, was die Kundenwahrnehmung stark beeinflusst. Nicht zuletzt ist die Produktqualität entscheidend für die Sicherheit der Batterie.
Die Fabriken sind oft riesig, um die Stückzahlen der großen Energiespeicher in kontinuierlicher Produktion zu bewältigen. Fahrerlose Transportsysteme (FTS) werden in großem Umfang eingesetzt, um schwere Materialien und Komponenten über lange Strecken zu transportieren, während kundenspezifische Automatisierungs- und Knickarmroboter in großem Umfang eingesetzt werden, um Prozesse wie die Vorbereitung der aktiven Komponenten, das Anbringen von Elektroden, den Zusammenbau der Zellen und die Herstellung von Modulen und Batteriepaketen zu bewältigen.
Da die Zellen zu Modulen kombiniert und die Module zu Batteriepaketen zusammengebaut werden, besteht der Produktionsprozess in der Regel darin, Komponenten zu entnehmen und sie präzise zu platzieren, sodass die elektrischen Anschlüsse hinzugefügt werden können. Dies kann manuell oder mit Hilfe automatisierter Systeme geschehen.
Mit jeder weiteren Prozessstufe werden die Baugruppen größer und schwerer. Ein komplettes prismatisches EV-Batteriemodul kann 30 – 40 kg wiegen, was die Prozessingenieure vor die Herausforderung stellt, die Handhabung, Prüfung und Verpackung dieser Module am Ende der Batterie-Produktionslinie zu automatisieren. Eine exakte Platzierung ist bei der End-of-Line-Prüfung äußerst wichtig, um die Modulanschlüsse genau auf die elektrischen Anschlüsse der Prüfvorrichtung auszurichten. Auch der anschließende Transfer des Moduls von der Prüfvorrichtung in den Akkupack, wo die endgültigen elektrischen Verbindungen vorgenommen werden, erfordert eine hohe Genauigkeit. Auch Schnelligkeit ist von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Produktivität sicherzustellen.
Hochgenaue, erschwingliche Automatisierung
Der Markt bietet SCARA-Roboter, die eine hohe Tragfähigkeit mit einer präzisionsgesteuerten Hochgeschwindigkeitsbewegung kombinieren, die Gegenstände in der x-y-Ebene mit einer Genauigkeit von 50 µm und in der z-Achse mit einer Genauigkeit von 20 µm positionieren können. Diese können eine kostengünstige, technisch ausgereifte Lösung für das Bewegen und Positionieren großer, schwerer Batteriekomponenten wie prismatische Lithium-Ionen-Zellen bieten. Ein Beispiel hierfür ist Yamahas Serie YK1200X. Diese Standard-SCARA-Roboter bieten eine Traglast von bis zu 50 kg und können Gegenstände mit einer Geschwindigkeit von bis zu 7,5 m/s in der x-y-Achse bewegen.
Der SCARA-Roboter YK1200X wurde gewählt, um den ‚Heavy Exact Rapid Operator‘ (HERO) zu entwickeln, eine Lösung zur Handhabung prismatischer Batteriemodule, die eine vollständige Automatisierung der End-of-Line-Prüfung und -Montage von Batteriepaketen ermöglicht. Die Demonstration zeigt, wie die Kombination aus Yamahas SCARA-Roboter und kundenspezifischer Technologie die 35 kg schweren Module mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit anheben, bewegen und positionieren kann, um die Produktivität dieser Prozesse zu steigern.
Module mit bestandener Prüfung werden aus der Prüfvorrichtung entnommen und in ihre endgültige Position im Batteriepaket transportiert, wo sie bereit sind für die elektrische Verdrahtung und die Endmontage des Batteriepakets.
Die Anforderungen an die End-of-Line-Automatisierung können zwischen verschiedenen Batterieherstellern, Batteriepaket-Designs und Fahrzeugtypen erheblich variieren. Die Module müssen unter Umständen präzise in Bezug auf die elektrischen Anschlussstifte einer Prüfvorrichtung oder im endgültigen Batteriepaket positioniert werden. Andererseits können Menschen für den Einbau von Leiterplatten wie dem Batterie-Managementsystem (BMS), die Installation von Kabeln und elektrischen Anschlüssen sowie das Verschließen und Abdichten des Batteriegehäuses in der Endmontagephase zuständig sein. Eine SCARA-basierte Automatisierung kann jeden dieser Ansätze unterstützen. Bild 2 zeigt, wie der Roboter YK1200X mit dem kundenspezifischen Handhabungsaufsatz die Module in die richtige Position im Batteriepaket bringt und so die manuelle oder automatische Endverdrahtung und Montage erleichtert.
Flächenbedarf
Unter Nutzung der großen Reichweite des YK1200X, der eine Armlänge von 1,2 Metern aufweist, zeigt die Handlingslösung, wie alle Batteriemodule, die die elektrischen Tests nicht bestehen, vom Batterie-Fertigungsprozess isoliert und für weitere Untersuchungen oder Reparaturen in einen separaten Bereich gebracht werden können.
Während die erweiterte Reichweite die Flexibilität bietet, die Module zu drei verschiedenen Orten zu bringen, um sie zu testen, zu montieren oder zu reparieren, ermöglicht die SCARA-Kinematik, dies auf sehr kompakter Fläche zu bewerkstelligen, die nur wenige Quadratmeter einnimmt. Eine große Batteriefabrik könnte erforderlichenfalls mehrere solcher Montagezellen integrieren und bei Bedarf weitere hinzufügen, um das Produktionsvolumen zu erhöhen. Bild 3 zeigt den Roboter YK1200X, der sicher auf dem speziell entwickelten Chassis montiert ist und die Kompaktheit der End-of-Line-Automatisierung verdeutlicht.
Fazit
Hochautomatisierte Batteriefabriken sind ein wichtiger Wegbereiter für den Wandel hin zur Elektromobilität. Die Steigerung von Produktion und Produktivität ist der Schlüssel zur Bereitstellung der benötigten Anzahl von Elektrofahrzeugen – zu Preisen, die für den Massenmarkt erschwinglich sind. Standard-Automatisierung mittels der bewährten und ausgereiften SCARA-Roboter könnte eine kosteneffiziente Option sein, vorausgesetzt, Traglast und Armlänge reichen aus, um End-of-Line-Prozesse zu bewältigen.
Hersteller von Batterien für E-Automobile können die Geschwindigkeit und Flexibilität der vorhandenen Yamaha-Industrieroboter nutzen, um schwere Batteriemodule mit hoher Geschwindigkeit und Präzision am Ende der Produktionslinie aufzunehmen und zu platzieren.
