Robot e l'elettromobilità: costruire valvole di sicurezza per le batterie

Il boom dell'elettromobilità fa salire alle stelle anche la domanda di batterie e dei loro componenti. Gli effetti di questa situazione si ripercuotono sul fornitore di automobili Hugo Benzing, con sede a Korntal-Münchingen, vicino a Stoccarda, che produce tra le altre cose dischi per lo scoppio delle batterie. In caso di surriscaldamento termico, le valvole riducono la pressione nella batteria, contribuendo in modo significativo alla sicurezza delle auto elettriche. La produzione di valvole è impegnativa e altamente sincronizzata, quindi ideale per le soluzioni di automazione.

L'elettromobilità è in crescita. Le auto elettriche funzionano con elettricità che può essere prodotta da fonti di energia rinnovabili, riducendo così le emissioni di CO2: un passo importante verso la protezione del clima. I responsabili dell'azienda di medie dimensioni Hugo Benzing GmbH & Co. KG di Korntal-Münchingen hanno capito subito che la tendenza verso i veicoli elettrici sarebbe stata duratura. Il leader mondiale nella produzione di elementi di sicurezza ha capito che la sua esperienza sarebbe stata utile anche per la costruzione di auto elettriche. Gli esperti di sicurezza hanno quindi iniziato a sviluppare membrane e dischi di rottura per le batterie delle auto elettriche. Le valvole di sicurezza brevettate rilasciano la pressione nell'aria ambiente in caso di surriscaldamento termico della batteria. Garantiscono la sicurezza della batteria e quindi dell'auto elettrica, impedendo un aumento della pressione nella batteria.

Attenzione rivolta alla sicurezza nel processo produttivo

Per produrre questa valvola di sfiato per la batteria di un'auto elettrica, sono necessari controlli di qualità costanti durante tutto il processo di produzione, al fine di soddisfare i requisiti di sicurezza. La valvola è composta da tre pezzi, che vengono assemblati in una cella di produzione automatizzata presso Benzing. "Inizialmente costruivamo le valvole a mano", ricorda l'amministratore delegato Christian Benzing. Tuttavia, è apparso subito chiaro che la domanda dell'industria automobilistica per queste valvole di sfiato per auto elettriche sarebbe cresciuta in modo significativo.

Presso il fornitore automobilistico Hugo Benzing di Korntal-Münchingen, le valvole di sicurezza per le batterie al litio delle auto elettriche vengono prodotte con un processo automatizzato.

"Avevamo quindi bisogno di quantità elevate di pezzi", spiega Benzing. L'enorme aumento di capacità poteva essere ottenuto solo con l'automazione. Inoltre, i controlli di sicurezza possono ora essere standardizzati secondo processi definiti e programmati e utilizzando tecnologie all'avanguardia. È qui che è entrata in gioco l'esperienza dell'azienda di ingegneria meccanica e automazione WAFIOS Tube Automation GmbH con sede a Simonswald, nella Foresta Nera.

Due milioni di valvole all'anno

"Abbiamo ricevuto l'ordine per la prima cella di automazione nell'ottobre 2019. L'anno successivo è entrata in funzione a Korntal", afferma Boris Kühn, amministratore delegato di WAFIOS Tube Automation, ripensando agli inizi della cella di automazione. Dal 2023 sono in funzione due celle in gran parte identiche, che producono un totale di due milioni di valvole all'anno. In ogni unità lavorano insieme sei robot KUKA. I robot KR AGILUS assemblano la valvola di sfiato in tre pezzi singoli: un pezzo portante, una molla e un pezzo di bloccaggio.

Sei robot KR AGILUS assemblano i dischi di rottura per le batterie in una cella di automazione.

I robot possono ruotare a 360 gradi. Sono stati eseguiti calcoli precisi per garantire che non si scontrino durante i processi di lavoro e questi sono programmati secondo sequenze definite. Le stazioni di trasferimento, dove i singoli robot depositano e prelevano i singoli pezzi, sono la chiave di tutto. L'esecuzione successiva dei compiti di pick and place garantisce un lavoro ininterrotto nella cella.

È richiesta la massima precisione nella presa dei singoli pezzi.

La cella è mobile grazie al suo design modulare

I motivi per cui lo specialista dell'automazione ha scelto i robot KUKA per l'ordine di Benzing sono due: in primo luogo, WAFIOS Tube Automation è un system partner dell'azienda specialista di robot con sede ad Augusta dal 2013 e, in secondo luogo, Benzing si era già affidato a KUKA per altri processi di automazione e aveva avuto esperienze molto positive con loro. Nella cella di sette metri per cinque vengono eseguiti ad alta velocità numerosi processi diversi. Per questo era necessario un robot veloce, preciso e compatto. Si è deciso di optare per un KR AGILUS, molto preciso e progettato per le massime velocità di lavoro, in sei varianti per cella. Oltre alla versatilità del robot, l'intero sistema è anche mobile dal punto di vista operativo. Non è vincolato a una posizione fissa all'interno della fabbrica, ma è montato su tre piastre d'acciaio e può essere spostato interamente in pochissimo tempo. "Questo è stato un fattore importante per noi, perché i processi produttivi devono sempre essere adattati. Questa soluzione mobile ci permette di non avere tempi di fermo della produzione", afferma Christian Benzing.

I robot spostano i singoli pezzi attraverso la cella

Le valvole per le batterie delle auto elettriche sono prodotte presso Benzing con un sistema a tre turni. Un dipendente avvia il processo di produzione automatizzato inserendo i pezzi portanti nel sistema attraverso un sistema di pallettizzazione. A questo punto, il KR AGILUS preleva un pezzo portante e lo trasferisce a un punto di ispezione luminoso, dove l'ispezione viene eseguita da una telecamera per l'elaborazione delle immagini. Queste telecamere sono una parte importante del processo di ispezione. Dopo il pezzo portante, viene inserita la molla, anch'essa calibrata prima di essere utilizzata. Infine, viene fornito il pezzo di chiusura, anch'esso ispezionato. Se un pezzo è difettoso, il KR AGILUS lo separa in un'apposita scatola.

I singoli pezzi vengono prelevati e depositati con precisione nelle stazioni di trasferimento.

L'operatore della macchina può intervenire in qualsiasi momento

Una volta ispezionati tutti i componenti, i robot li trasferiscono alla stazione di assemblaggio. "Lì vengono saldati con gli ultrasuoni ad alta frequenza", spiega Dietmar Dengler, amministratore delegato di WAFIOS Tube Automation. I vapori risultanti vengono estratti per proteggere i dipendenti. Un robot trasferisce quindi i pezzi saldati alla stazione di sbavatura, che rimuove i residui di saldatura. A questo punto viene integrata un'altra stazione di prova. Se il componente finito soddisfa i requisiti, viene sottoposto a una prova di tenuta, eseguita in una cabina ad elio. "Se tutto è a posto, il componente viene inciso al laser ed è pronto per essere utilizzato", afferma Dengler. Gli operatori possono anche richiedere l'ispezione di singoli componenti durante il processo, se lo ritengono necessario. Una volta completate tutte le fasi di produzione automatizzata, l'operatore rimuove le valvole di sicurezza completate.

Le pinze richiedono la massima precisione

Le pinze utilizzate dai robot per prelevare e depositare i singoli pezzi delicati si sono rivelate una sfida. "Le molle hanno sei bracci che si piegano se si stringono troppo", spiega Dengler. Ma il personale di WAFIOS Tube Automation conosce bene questi requisiti per gli utensili di presa e li ha sviluppati personalmente per la cella di assemblaggio. Anche il sistema di controllo completo, che serve a gestire l'impianto e i sei robot KR AGILUS tramite un unico pannello, è stato sviluppato internamente e viene utilizzato dai clienti già da molti anni. "Gli operatori programmano in modo semplice il sistema di controllo, non devono avere alcuna conoscenza dei robot", sottolinea Kühn.

Christian Benzing (al centro) ha scelto WAFIOS Tube Automation per implementare la soluzione di automazione, insieme agli amministratori delegati Dietmar Dengler (a sinistra) e Boris Kühn (a destra)

Per essere il miglior fornitore in questo settore, dobbiamo avere il controllo completo del processo. Possiamo raggiungere questo obiettivo solo con l'automazione.

Christian Benzing, amministratore delegato di Hugo Benzing GmbH & Co. KG

I dipendenti di Hugo Benzing GmbH & Co. KG sono soddisfatti del sistema di automazione.Grazie ai loro "colleghi robot", i dipendenti hanno più risorse per altre attività produttive.Inoltre, non avrebbe senso produrre le valvole di sicurezza a mano a causa della complessità del processo di assemblaggio, dei numerosi processi di collaudo e del forte aumento della produzione. L'azienda sta quindi dando un contributo significativo alla continua proliferazione delle auto elettriche.