Vakuum-Handhabungstechnik: Positionsgenau, schonend und schnell

Glatten (rm). Die Elektromobilität wird mittelfristig einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Zudem dient sie dazu, weltweite Klimaziele zu erreichen. Damit die Verbraucher die Elektromobilität akzeptieren und diese sich in ihren verschiedenen Ausprägungen wie etwa Hybrid oder Range-Extender –Reichweitenverlängerung per Generator – durchsetzen kann, sind vor allem Fortschritte in der Speichertechnik erforderlich.

Eine Alternative zu gewickelten Batteriezellen bilden die sogenannten großformatigen Pouchzellen. Denn sie haben eine höhere Speicherdichte und ein effektiveres Thermomanagement. Die vollautomatische Fertigung dieser Pouchzellen stellt neue und hohe Anforderungen an Robotik, Handhabungstechnik und Qualitätssicherung. Der Vakuum-Spezialist  J. Schmalz hat dafür spezielle Vakuum-Handhabungslösungen im Programm, die die hohen Anforderungen erfüllen, die an die Handhabung bei der vollautomatischen Produktion großformatiger Zellkomponenten gestellt werden.

Großformatige Pouchzellen bestehen aus mehr als 100 Lagen Anoden, Kathoden und Separatoren. Die einzelnen Lagen sind zwischen 20 und 100 µm stark. Sie sind besonders empfindlich gegenüber mechanischer Perforation und chemischer Kontamination. Entscheidend ist aber auch die genaue Position der Einzellagen. Denn schon ein 50 µm großer Partikel kann ohne äußere Einwirkung einen Kurzschluss auslösen und somit zu einem unkontrollierten Brand der Fahrzeugbatterie führen. Um die Durchsatzrate zu verbessern und damit die Kosten zu senken, müssen Anlagenstillstände und Ausschussquoten vermieden werden. Erreicht wird dies durch angepasste Handhabungslösungen.

Um bei der Batteriefertigung einen Zellstapel zu bilden, werden sukzessive Anoden und Kathoden per Pick-and-Place zwischen Separatorlagen abgelegt. Schmalz hat dazu den Flächengreifer SBG entwickelt, der die einzelnen Elektroden handhabt. Die großformatigen Saugflächen halten die Elektrode auch bei hohen Beschleunigungen positionsgenau und schlupffrei.

Der Flächengreifer besteht aus dem Spezialwerkstoff PEEK (Polyethylenetherketon). Dieser minimiert mechanischen Abrieb und verhindert chemische Kontamination. Ein im Greifer integrierter pneumatischer Vakuumerzeuger basiert auf dem sogenannten Coanda-Prinzip. Nachdem Druckluft oder ein anderes Medium wie Stickstoff angelegt ist, wird innerhalb von zehn bis 15 ms das Vakuum aufgebaut. Der Vakuumlevel kann je nach Bedarf zwischen -10 und -100 mbar – bezogen auf den Umgebungsluftdruck – eingestellt werden. Dadurch werden die dünnen, beschichteten Elektroden schonend behandelt.

Konventionelle Vakuumgreifer dagegen benötigen einen Vakuumlevel von -300 bis -800 mbar, um prozesssicher zu greifen. Das kann jedoch zu Strukturschäden oder zu bleibenden Deformationen der dünnen Werkstücke führen. Um Laufzeitverzögerungen und Signalaufweitungen des Druckluftsignals zu verringern, gibt es von Schmalz Mikroventile, die unmittelbar am Vakuumerzeuger angebracht werden. Die Laufzeitverzögerungen betragen damit nur noch 25 ms pro Meter Länge eines 6/4-er Schlauchs. Das vereinfacht sowohl die Programmierung als auch die Steuerung und verbessert die Prozesssicherheit des Greifvorgangs.

Der Coanda-Ejektor unterstützt zudem einen hohen Volumenstrom, der auch hochporöse Werkstücke wie Separatoren oder Vliesmaterialien ansaugen kann. Damit die Partikelkontamination des Arbeitsraums verringert wird, hat der Greifer eine optionale Abluftführung für den angesaugten Volumenstrom sowie für die vakuumerzeugende Druckluft. Mit diesen Merkmalen ist eine schonende, präzise und prozesssichere Pick-and-Place-Anwendung im Sub-Sekundentakt möglich. Bei Stapelvereinzelung und Ablage auf zwei Positionen können Durchsatzraten von 80 pro Minute realisiert werden. Das soll mit keinem anderen Greifsystem auch nur annähernd möglich sein, so Schmalz.

Um diese hohen Durchsatzraten auch im Dauerbetrieb zu erreichen, hat Schmalz den Doppellagendetektor DLD entwickelt. Denn im automatisierten Betrieb muss sichergestellt sein, dass keine Doppellagen von Elektroden aus dem Stapel entnommen werden. Der Doppellagendetektor DLD ist in den Flächengreifer integriert. Er sendet innerhalb von 10 µs und im Abstand von etwa 10 mm über dem Elektrodenstapel, also noch innerhalb der Stapeleinfassung, bereits ein IO-/NIO-Signal an die Robotersteuerung. Bei IO wird die Pick-and-Place-Bewegung fortgesetzt, im Fall der Doppelbelegung eine Vereinzelungsroutine ausgelöst. Somit liegt die effektive nur geringfügig über der nominalen Zykluszeit. Der Doppellagendetektor erhöht damit die effektive Durchsatzrate. Zudem werden die mechanischen Belastungen und die Kontamination der Elektroden vermindert.

Beim nachfolgenden Fertigungsschritt muss die komplette Pouchzelle so gehandhabt werden, dass die Aluminiumummantelung an den Saugstellen nicht tiefgezogen wird. Denn ist das der Fall, kann es an diesen Stellen zu Elektrolytverarmung kommen, was die Funktion der Batteriezelle beeinträchtigt. Der Pouchzellengreifer von Schmalz mit einem Saugerteppich aus Foliensaugern der Reihe SGP ist hier geeignet, da die Sauger dafür eine innere Stützstruktur haben. Diese vermindert beim Ansaugen das Tiefziehen der Folie. Der Foliensauger kann auch mit dem Spezialwerkstoff HT2 ausgeführt werden. Damit wird der Sauger elektrolytbeständig, was beim Befüllungsprozess der Pouchzelle mit Elektrolytflüssigkeit die Prozesssicherheit erhöht.

Die Ejektoren (pneumatische Vakuumerzeuger) von Schmalz beinhalten eine Luftsparregelung, die den Druckluftverbrauch um bis zu 90 % vermindert. Sie lassen sich fernparametrieren und eine Zustands- und Energieüberwachung durchführen.

Damit registriert der Ejektor langfristige, durch Saugerverschleiß oder Schlauchleitungsleckage verursachte Änderungen und meldet diese lange vor kritischen Systemzuständen. Dadurch ist ein vorbeugender Service möglich, was die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Die Pouchzellengreifer eignen sich außerdem dafür, die versiegelten Batteriezellen vor und nach der Formierung zu handhaben und so Beschädigungen durch die Elektrolytverarmung zu vermeiden.