Batteriefertigung Ein Scara bringt Tempo in den End-of-Line-Prozess

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Wie sich am Ende der Fertigungslinie von Autobatterien Montage und End-of-Line-Tests produktiver gestalten und Skalierungs-Effekte mitnehmen lassen, das skizziert Yamaha am Beispiel einer Automatisierung mit Scara-Roboter.

Gebrauchstauglichkeit und Reichweite haben sich verbessert, neue Modelle erweitern das Angebot: Der Markt von Elektrofahrzeugen entwickelt sich, und das spiegelt sich auch im deutlichen Anstieg des Absatzes wider. Im Zuge von Umweltgesetzgebungen dürfte sich die Nachfrage verstärken, E-Fahrzeuge sollen dafür künftig auch deutlich kostengünstiger werden. Indem sie ihre Produktion erhöhen, mehr Fahrzeuge ausliefern und damit gleichzeitig Skaleneffekte nutzen, können die Automobilhersteller diese Anforderungen erfüllen.

Die Massenfertigung gilt quasi als Kernkompetenz der Automobilindustrie. Relativ neu allerdings kommt eine enorme Mengenproduktion von Batterien auf die Branche zu. 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.

Skalierbarkeit in der Fertigung von Großbatterien

Aktuell entstehen neue Batteriefabriken, um die wachsende Nachfrage nach Großbatterien zu bedienen. Der Bedarf speist sich nicht nur aus der Automobilindustrie, sondern auch durch andere Projekte im Bereich umweltfreundlichen Energiemanagements, etwa die Energienetz-gekoppelten Speicherungen.

Eine Automatisierung der gesamten Prozesskette von Anfang bis Ende steht im Einklang mit den Zielen der Batteriehersteller, nämlich die Stückzahlen zu erhöhen, Vorteile einer Skalierung zu nutzen und Wiederholbarkeit zu gewährleisten, die zu gleichbleibend hoher Qualität führen kann.

Eine weitere Anforderung ist, Batteriekapazitäten und Leistungsdaten wie zum Beispiel die Reichweite zu maximieren, was Einfluss auf die Kundenwahrnehmung. Nicht zuletzt ist die Produktqualität entscheidend für die Sicherheit der Batterie.

Um die Stückzahlen der großen Energiespeicher in kontinuierlicher Produktion zu meistern, sind die Fabriken oft enorm groß dimensioniert. In großem Umfang werden hier Fahrerlose Transportsysteme (FTS) eingesetzt, um schwere Materialien und Komponenten über lange Strecken zu transportieren, und kundenspezifische Automatisierungs- und Knickarmroboter, um verschiedene Prozesse zu bewältigen. Dazu gehören beispielsweise die Vorbereitung der aktiven Komponenten, das Anbringen von Elektroden, den Zusammenbau der Zellen und die Herstellung von Modulen und Batteriepaketen.

In einer Batteriefertigung werden die Zellen zu Modulen kombiniert und die Module wiederum zu Batteriepaketen zusammengebaut. Deshalb besteht ein wesentlicher Teil des Produktionsprozesses in der Regel darin, Komponenten zu entnehmen und sie so präzise zu platzieren, dass sich die elektrischen Anschlüsse hinzufügen lassen. 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 etwa 30 bis 40 Kilogramm wiegen, was die Prozessingenieure vor die Herausforderung stellt, die Handhabung, Prüfung und Verpackung dieser Module am Ende der Batterie-Produktionslinie zu automatisieren. Die Herausforderung: 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. Und Schnelligkeit ist von Bedeutung, um eine hohe Produktivität zu erzielen.

Präzision beim Handling der einzelnen Batteriemodule

Der Markt bietet Scara-Roboter, die eine hohe Tragfähigkeit mit einer präzisionsgesteuerten Hochgeschwindigkeitsbewegung kombinieren. Sie können die Gegenstände in der x-y-Ebene mit einer Genauigkeit von 50 μm und in der z-Achse von 20 μm positionieren. Diese Scara-Roboter können damit eine relativ kostengünstige, technisch ausgereifte Lösung für das Bewegen und Positionieren großer, schwerer Batteriekomponenten wie prismatische Lithium-Ionen-Zellen darstellen.

Ein Beispiel hierfür ist Yamahas Serie YK1200X. Diese Standard-Scara-Roboter bieten eine Traglast von bis zu 50 Kilogramm und können Gegenstände mit einer Geschwindigkeit von bis zu 7,5 m/s in der x-y-Achse bewegen.

Dieses Scara-Modell YK1200X wurde auch gewählt, um den „Heavy Exact Rapid Operator“ (HERO) zu entwickeln. Dabei handelt es sich um eine Lösung zur Handhabung prismatischer Batteriemodule, die eine vollständige Automatisierung der End-of-Line-Prüfung und -Montage von Batteriepaketen ermöglicht.

Bei einer Demonstration hat sich gezeigt, wie die Kombination aus Yamahas Scara-Roboter und kundenspezifischer Technologie die 35 Kilogramm schweren Module mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit anheben, bewegen und positionieren kann. Die Hublösung wurde speziell für die Anwendung bei Batteriemodulen entwickelt. Der Hebemechanismus greift in jeden der vier Hebepunkte an der Außenseite des Modulgehäuses ein und ermöglicht es, das Modul sicher anzuheben, zu bewegen und gegebenenfalls um bis zu 360 Grad zu drehen, um die richtige Positionierung und Ausrichtung sicherzustellen.

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 zuständig sein für den Einbau von Leiterplatten wie dem Batterie-Managementsystem (BMS), für die Installation von Kabeln und elektrischen Anschlüssen sowie für das Verschließen und Abdichten des Batteriegehäuses in der Endmontagephase. Eine Scara-basierte Automatisierung kann jeden dieser Ansätze unterstützen.

Schlanke Raumlösung für End-of-Line-Prozesse

Unter Nutzung der großen Reichweite des YK1200X, der eine Armlänge von 1,2 Metern aufweist, zeigt die Handlinglösung, 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.

Hochautomatisierte Batteriefabriken sind ein wichtiger Wegbereiter für den Wandel hin zur Elektromobilität. Die Steigerung von Produktion und Produktivität gilt als Schlüssel zur Bereitstellung der benötigten Anzahl von Elektrofahrzeugen – zu Preisen, die für den Massenmarkt erschwinglich sind. Standard-Automatisierung mittels 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.

 (pf)

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