Bild 01: Die Energiekette Triflex R TRC sorgt dank Trockenreinraum-Zertifizierung, ESD-Material und Schmierfreiheit für hohe Sicherheit in der Batteriefertigung. (Quelle: Igus)
Auf deutschen Straßen sind immer mehr Elektroautos unterwegs. Damit die steigende Nachfrage nach den Fahrzeugen gedeckt werden kann, braucht es vor allem qualitativ hochwertige Lithium-Ionen-Batterien. Um nicht zu abhängig von Importen zu sein, strebt Europa an, bis 2030 eine Produktionskapazität von 2 TWh zu erreichen. Doch das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI [1] zeigt mit einem Risikobewertungsmodell: Nur zwischen 54 % und 75 % der angekündigten Kapazitäten werden voraussichtlich erreicht. Der Grund: Verzögerungen der Bauvorhaben und hoher Produktionsausschuss in den Fabriken.
Anlaufphase besonders heikel
Hohe Ausschussquoten belasten vor allem neue Batteriezellfabriken in ihrer Anlaufphase. Die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB [2] geht in den ersten Jahren von Raten von 15 % bis 30 % aus. Doch warum haben neue Batteriefabriken so hohe Ausschussraten? Einer der Gründe ist der hohe Automationsgrad. Betreiber müssen zahlreiche Maschinen und Anlagen aufeinander abstimmen, um kurze Zykluszeiten zu ermöglichen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Komponenten einer Batterie sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Temperatur, mechanischem Stress und kleinsten Verunreinigungen sind.
Erstes zertifiziertes Roboter-Energieführungssystem für den Trockenreinraum
Um die Reinheit der Produktionsumgebung nicht zu gefährden, verlagern Batteriehersteller viele Prozesse in Trockenreinräume. Doch nicht alle Komponenten halten diesen anspruchsvollen Umgebungsbedingungen stand. „Im Trockenreinraum haben viele Systeme eine kurze Lebensdauer und müssen nach zwei bis drei Monaten ausgetauscht werden“, erklärt Kira Weller, Produktmanagerin E-Ketten bei Igus. „Die Partikelemission kann wegen der Trockenheit stark zunehmen, da die Materialien oft nicht für die Trockenheit ausgelegt sind und spröde werden.“
Aus diesem Grund hat Igus [3] sein Portfolio der reinraumtauglichen Energieführungen in dieser Umgebung getestet und gemeinsam mit dem Fraunhofer IPA neuartige Zertifikate entwickelt. „Das Triflex-R-TRC-System ist das erste Roboter-Energieführungssystem, das eine Trockenreinraum-Zertifizierung erhalten hat“, erklärt Matthias Meyer, Geschäftsbereichsleiter Triflex E-Ketten und Robotics bei Igus (Bild 1). Das System besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: einer dreidimensional beweglichen Energiekette aus Hochleistungskunststoff und einem Federstabmodul.
Mit allen marktgängigen Robotertypen kompatibel
Die Energiekette ist eine geschlossene Variante der Triflex R, die komplett aus ableitfähigem ESD (electrostatic discharge)-Material besteht – einschließlich Anschlusselementen mit Zugentlastung. Somit besteht kein Risiko einer Beschädigung ESD-sensitiver Teile durch abrupte Entladung. Das Federstabmodul ähnelt einer Stabangelrute. Zwei integrierte Glasfaserstäbe dienen dazu, die Energiekette bis zur 5. Achse zu stabilisieren und einen Kontakt zwischen Roboter und Energiekette zu verhindern. Dies ermöglicht einen nahezu berührungsfreien Produktionsablauf, sodass bei den Rotationsbewegungen keine Partikel erzeugt werden. Da keine Berührungspunkte vorhanden sind, kann das Energieführungssystem auch problemlos mit anderen, separat zertifizierten Produkten im Trockenreinraum eingesetzt werden, was dem Kunden mehr Flexibilität bietet.
Betreiber von Industrierobotern können die Lösung zudem schnell adaptieren, da sie mit allen marktgängigen Robotertypen kompatibel ist. In der Standardausführung ist das System bereits seit über 15 Jahren weltweit erfolgreich bei Kunden im Einsatz.
Nach den Tests des Fraunhofer IPA erhielt das Komplettsystem als erstes Produkt dieser Art die Zertifizierung für die ISO-Klasse 4 – und damit das bestmögliche Ergebnis. Eine höhere Zertifizierung ist nicht möglich, da die Testumgebung (Reinraum-ISO-Klasse 3 mit einer relativen Feuchtigkeit von unter 1 %, entsprechend einem Taupunkt von −40 °C) dies nicht erlaubt. Nur bei schnelleren Bewegungen (v = 2,0 m/s, a = 4,0 m/s²) erhielt das System die ISO-Klasse 5.