Intelligente Greifsysteme, Bild: Schunk

Intelligente Greifsysteme ermöglichen ein automatisiertes Aufnehmen und Stapeln der Zellmodule, schnelle Fügeprozesse und eine hohe Prozesssicherheit. Bild: Schunk

Lithium-Ionen-Akkus gelten aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihres Speichervermögens als technologische Schlüsselkomponenten der Elektromobilität und stationärer Speichersysteme. Intensive F&E-Aktivitäten haben in jüngster Zeit dazu geführt, dass deren Leistungsfähigkeit rasant steigt und die Ladezeiten deutlich zurückgehen. Zugleich sinken jedoch die Stückerlöse um bis zu 20 Prozent pro Jahr.

Batteriezell-Greifer, Bild: Schunk
Der Batteriezell-Greifer bestimmt übernimmt Handhabung und Qualitätskontrolle auf einmal. Bild: Schunk

Der Anteil von Handarbeitsplätzen bei der Produktion der Akkupacks erschwerte bislang eine kostenattraktive Herstellung in großen Stückzahlen. So wird bis heute beispielsweise der Zustand der einzelnen Li-Ion-Zelle sowohl bei deren Versand aus der Zellproduktion als auch beim Wareneingang in der Akkupackmontage größtenteils manuell mithilfe von Messgeräten geprüft. Das ist zeitintensiv und aufgrund von Bedienfehlern zum Teil mit fehlerhaften Messergebnissen verbunden. Um die für die kommenden Jahre prognostizierte, rasant steigende Nachfrage zu bewältigen, kann dieser Vorgang nun vollständig automatisiert werden.

Kontrolle und Handling der Zellen automatisieren

Hierfür hat der Anbieter für Greifsysteme und Spanntechnik Schunk ein integriertes Greifsystem entwickelt, das seine exponierte Position nah am Bauteil nutzt, um die für das Handling und die Qualitätskontrolle erforderlichen Prozessschritte autonom zu erledigen: Der Greifer nimmt die prismatische Li-Ion-Zelle auf und fährt sie während des Handhabungsprozesses in eine definierte Prüfposition innerhalb des Greifers. Dort wird die Zelle vollautomatisch über einen Barcode- oder Data-Matrix-Code identifiziert und geometrisch vermessen. Zugleich werden die Temperatur und Wölbung der Zelloberfläche sowie wichtige elektrische Parameter bestimmt: Ruhespannung zur Ermittlung des Ladezustands (SOC), Zellinnenwiderstand, Isolationswiderstand, Impedanz bei zwei Frequenzen zur Ermittlung der Kapazität.

Über ein integriertes PC-System auf der Ebene des Greifmoduls können die aufbereiteten Informationen in Echtzeit sowohl der Anlagensteuerung als auch ERP-Systemen und übergeordneten Datenbanksystemen via Ethernet TCP/IP zur Verfügung gestellt werden. Dort lassen sich Auswertungen zu fehlerhaften oder abweichenden Modulen automatisch dokumentieren und gegebenenfalls als Mängelanzeige direkt an den Zulieferer senden. Die Datenkennlinien können in der Visualisierung getrennt angezeigt werden. Aus der Analyse der Messdaten lassen sich Informationen zur Produkt- und Prozessverbesserung gewinnen.

Nach Abschluss der vollintegrierten Qualitätskontrolle schleust der Greifer die Zelle in der Modulfertigung in die passende Linie ein oder setzt die Zelle in den Versandtray des Zellherstellers. NIO-Teile werden automatisch ausgeschleust.

Modulares Konzept für individuelle Prozesse

Über standardisierte mechanische Schnittstellen lässt sich der Batteriezell-Greifer mit unterschiedlichen Roboter- oder Portalsystemen verbinden. Die Ansteuerung erfolgt über digitale I/O. Aufgrund des modularen Konzepts sowie frei konfigurierbarer Regelkreise lassen sich sowohl die Art als auch der Umfang der einzelnen Prüfprozeduren individuell definieren. Zudem können auf Wunsch weitere Messungen und Auswertungen integriert werden. Das modulare Sensorikkonzept und konfigurierbare Regelkreise sichern hochflexible Einsatzmöglichkeiten. In der Spitze sind Taktzeiten unter zwei Sekunden möglich. Erste Projekte mit dem Greifer wurden bereits 2018 umgesetzt. Das Werkstückhandling erfolgt per Vakuumtechnik, der Prüfvorgang optisch und elektrisch.

Batterieproduktion effizienter machen

Das Beispiel zeigt: Smarte Greifsysteme bieten die Möglichkeit für autonome Prozesse und leisten in mehrerlei Hinsicht einen Beitrag für die Produktion von morgen: Zum einen senken die vollintegrierten Lösungen die Kosten der Gesamtanlage, da zusätzliche Messtechnik entfällt und sowohl der Platzbedarf als auch der Inbetriebnahmeaufwand reduziert werden. Zum anderen lässt sich bei deutlich verringertem Personalaufwand die Prozessgeschwindigkeit spürbar erhöhen.

Für den Maschinenbau, Systemintegratoren und Automatisierer bietet ein solches autonomes Handling- und Messkonzept neue Möglichkeiten bei der Realisierung von Anlagen mit integrierter Monitoringfunktion. Die aus Messprotokollen gewonnenen Ergebnisse jeder hergestellten Zelle liefern wertvolle Informationen, um Anlagen effizienter zu gestalten sowie bei Abweichungen frühzeitig im Herstellungsprozess einzugreifen und Kosten zu senken. Gerade in der Batterieproduktion sind intelligente All-in-One-Lösungen ein Schlüssel, um eine wirtschaftliche Herstellung großer Stückzahlen bei hoher Prozessqualität zu ermöglichen. Der Batteriezellgreifer ist modular aufgebaut und wird an die jeweiligen Anforderungen individuell angepasst. do

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