Robots gebruiken om elektromobiliteit te bevorderen en veiligheidsventielen voor batterijen te bouwen

De explosieve groei in elektromobiliteit veroorzaakt ook een explosieve groei in de vraag naar batterijen en batterijonderdelen. Autotoeleverancier Hugo Benzing, gevestigd in Korntal-Münchingen bij Stuttgart en fabrikant van onder andere accubreekplaten, voelt de gevolgen hiervan. Bij thermische oververhitting verlagen de ventielen de druk in de batterij, wat aanzienlijk bijdraagt aan de veiligheid van elektrische auto's. De productie van ventielen is uitdagend en in hoge mate gesynchroniseerd - en daarom ideaal voor automatiseringsoplossingen.

Elektromobiliteit is in opkomst. Elektrische auto's rijden op elektriciteit die kan worden gewonnen uit hernieuwbare energiebronnen, waardoor de CO2-uitstoot wordt verminderd – een doorslaggevende stap in de strijd tegen de klimaatverandering. De beleidsmakers van het middelgrote bedrijf Hugo Benzing GmbH & Co. KG in Korntal-Münchingen beseften al snel dat de trend naar elektrische voertuigen blijvend zou zijn. Bij ’s werelds grootste fabrikant van veiligheidselementen realiseerde men zich ook dat hun deskundigheid van nut zou zijn bij de bouw van elektrische auto’s. En daarom zijn de veiligheidsexperts bijvoorbeeld begonnen met de ontwikkeling van breekmembranen en breekschijven voor accu's van elektrische auto's. De gepatenteerde veiligheidskleppen zorgen ervoor dat bij thermische oververhitting van de batterij de druk naar de omgevingslucht wordt afgevoerd. Door te voorkomen dat de druk in de batterij toeneemt, garanderen ze de veiligheid van de batterij en dus van de elektrische auto.

Focus op veiligheid in het productieproces

Om dit ontluchtingsventiel voor de batterij van de elektrische auto te produceren, moeten tijdens het hele productieproces constante kwaliteitscontroles worden uitgevoerd om aan de veiligheidseisen te voldoen. Het ventiel bestaat uit drie onderdelen die worden geassembleerd in een geautomatiseerde productiecel bij Benzing. "Eerst hebben we de ventielen met de hand gebouwd," herinnert zich Managing Director Christian Benzing. Het werd echter al snel duidelijk dat de vraag vanuit de auto-industrie naar deze ontluchtingsventielen voor elektrische auto's nog aanzienlijk zou toenemen.

Bij autotoeleverancier Hugo Benzing in Korntal-Münchingen worden veiligheidsventielen voor de lithiumbatterijen in elektrische auto's via een geautomatiseerd proces geproduceerd.

"Dus we hadden grote hoeveelheden nodig," zegt Benzing. De enorme capaciteitstoename kon alleen worden bereikt met behulp van automatisering.Daarnaast konden de veiligheidscontroles nu worden gestandaardiseerd volgens gedefinieerde, geprogrammeerde processen en met behulp van de modernste technologie. Hier kwam de deskundigheid van het machinebouw- en automatiseringsbedrijf WAFIOS Tube Automation GmbH uit Simonswald in het Zwarte Woud goed van pas.

Twee miljoen ventielen per jaar

"De bestelling voor de eerste automatiseringscel kwam binnen in oktober 2019. Het jaar daarop werd deze in Korntal in gebruik genomen," aldus Boris Kühn, Managing Director van WAFIOS Tube Automation, terugkijkend op de beginperiode van de automatiseringscel. Sinds 2023 zijn er twee grotendeels identieke cellen in gebruik – deze produceren in totaal twee miljoen ventielen per jaar. Zes KUKA robots werken samen in elke eenheid. De KR AGILUS robots assembleren het ontluchtingsventiel uit drie afzonderlijke onderdelen - een dragerdeel, een veer en een vergrendelingsdeel.

Zes KR AGILUS robots assembleren de breekschijven voor batterijen in een automatiseringscel.

Ook de robots kunnen 360 graden draaien. Er zijn nauwkeurige berekeningen uitgevoerd om ervoor te zorgen dat ze tijdens de werkprocessen niet botsen. Ze zijn geprogrammeerd volgens gedefinieerde sequenties. Overdrachtstations, waar de afzonderlijke robots de verschillende onderdelen neerzetten en oppakken, vormen hiervoor de basis. Opeenvolgende uitvoering van pick-and-place-taken garandeert ononderbroken werk in de cel.

Maximale precisie is vereist bij het grijpen van de afzonderlijke onderdelen.

Dankzij het modulaire ontwerp is de cel mobiel

Om twee redenen heeft de automatiseringsspecialist voor de Benzing-order voor KUKA robots gekozen: ten eerste is WAFIOS Tube Automation al sinds 2013 systeempartner van de in Augsburg gevestigde robotspecialist en ten tweede had Benzing al eerder voor andere automatiseringsprocessen op KUKA vertrouwd en daarmee zeer positieve ervaringen opgebouwd. In de cel van zeven bij vijf meter worden verschillende processen op hoge snelheid uitgevoerd. Hiervoor was een snelle, nauwkeurige en compacte robot nodig. Er is gekozen voor een sextuplicaat van de zeer nauwkeurige KR AGILUS voor elke cel - ontwikkeld voor extreem hoge werksnelheden.Niet alleen is de robot veelzijdig – het hele systeem is ook operationeel mobiel. Het is niet aan een vaste locatie in de fabriek gebonden, maar is in plaats daarvan op drie stalen platen gemonteerd en kan in zijn geheel dus in een handomdraai worden verplaatst. "Dit was een belangrijke factor voor ons omdat productieprocessen altijd moeten worden aangepast. De mobiele productie betekent dat we geen productie-uitval hebben," aldus Christian Benzing.

Robots bewegen de afzonderlijke delen door de cel

De ventielen voor de batterijen in elektrische auto's worden bij Benzing in een drieploegensysteem geproduceerd. Een medewerker start het geautomatiseerde productieproces door de dragende onderdelen in het systeem te voeren via een palletiseersysteem. Daar pikt de KR AGILUS een dragend onderdeel op en brengt het naar een lichtinspectiepunt, waar de inspectie door een beeldverwerkingscamera wordt uitgevoerd. Deze camera's vormen een belangrijk onderdeel van het inspectieproces. Na het dragende deel wordt de veer ingevoerd. Deze wordt ook gemeten voordat hij wordt gebruikt. Ten slotte wordt het vergrendelingsgedeelte geleverd en ook geïnspecteerd. Als een onderdeel defect is, scheidt de KR AGILUS het uit in een daarvoor bestemde bak.

De afzonderlijke onderdelen worden precies op de overdrachtsstations opgepakt en weer neergezet.

De machinebediener kan op ieder moment ingrijpen

Nadat alle onderdelen zijn geïnspecteerd, brengen de robots ze naar het assemblagestation. "Daar worden ze gelast met ultrasone golven - een hoge frequentie," legt Dietmar Dengler uit, ook Managing Director bij WAFIOS Tube Automation. De resulterende dampen worden afgezogen om werknemers te beschermen. Een robot draagt de gelaste onderdelen vervolgens over naar het ontbraamstation, dat de lasresten verwijdert. Hier is nog een ander teststation geïntegreerd. Als het afgewerkte onderdeel aan de eisen voldoet, wordt het onderworpen aan een lektest die wordt uitgevoerd in een heliumcabine. "Als alles in orde is, wordt het onderdeel lasergegraveerd en is het klaar voor gebruik," aldus Dengler. Indien nodig kunnen operatoren tijdens het proces ook afzonderlijke onderdelen voor inspectie opvragen. Nadat alle geautomatiseerde productiestappen zijn voltooid, verwijdert de operator de voltooide veiligheidsventielen.

Voor de grijpers is maximale precisie vereist

De grijpers die door de robots worden gebruikt om de gevoelige afzonderlijke onderdelen op te pakken en neer te zetten, bleken een hele uitdaging te zijn. "De veren hebben zes armen die buigbaar zijn, als je ze te stevig vasthoudt," aldus Dengler. Maar de mensen van WAFIOS Tube Automation zijn vertrouwd met deze vereisten voor grijpergereedschappen en hebben ze daarom zelf voor de assemblagecel ontwikkeld. Het omvangrijke besturingssysteem, waarmee het systeem en de zes KR AGILUS-robots via één paneel worden bediend, is ook door onszelf ontwikkeld en wordt al vele jaren door klanten gebruikt. "De bedieners programmeren gewoon het besturingssysteem – kennis van robots is niet nodig," benadrukt Kühn.

Christian Benzing (midden) heeft gekozen voor WAFIOS Tube Automation om de automatiseringsoplossing te implementeren - en dat samen met Managing Directors Dietmar Dengler (links) en Boris Kühn (rechts).

Om op dit gebied de beste leverancier te zijn, moeten we het proces volledig onder controle hebben. Dit kunnen we alleen bereiken met automatisering.

Christian Benzing, Managing Director van Hugo Benzing GmbH & Co. KG

De medewerkers van Hugo Benzing GmbH & Co. KG zijn uiterst tevreden met het automatiseringssysteem.Dankzij hun "robotcollega's" hebben de werknemers meer middelen voor andere productieactiviteiten.Het zou bovendien niet zinvol zijn om de veiligheidskleppen met de hand te fabriceren vanwege de complexiteit van het assemblageproces, de vele testprocessen en de forse toename van de productie. De onderneming levert daarmee een belangrijke bijdrage aan de verdere opmars van elektrische auto's.