Montage-Robotik Mit Robotern gelingt das Assemblieren von Li-Batterien in 70 Sekunden

Kleine Stückzahlen in der Medizintechnik sind oft der Präzision von Handarbeit geschuldet. Dass sich diffizile Schritte beim Assemblieren von Li-Primärbatterien auch automatisieren lassen, zeigt ein Robotik-Projekt von Maschinenbauer Jonas & Redmann und Omron.

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Die industrielle Gesundheitswirtschaft wächst seit Jahren kontinuierlich und stärker als die deutsche Gesamtwirtschaft, belegen Zahlen des Bundesverbands Medizintechnologie (BVMed). In diesem Markt agiert Jonas & Redmann. Medizintechnik ist für den Berliner Maschinenbauer neben Montageautomation, Energiespeicher und Photovoltaik ein zentrales Tätigkeitsfeld. Vollautomatisierte Montageanlagen, Handhabungssysteme sowie Funktionsprüfanlagen sind der Fokus der Berliner Maschinenbauexperten.

Um bei einem US-Auftraggeber das Zusammensetzen von Lithium-Primärbatterien für eine medizintechnische Anwendung zu automatisieren, setzt Jonas & Redmann auf die Technologie und Expertise von Omron. Der E-Cobra-Pro-Roboter unterstützt im Zusammenspiel mit leistungsstarker Kamera- und Visualisierungstechnologie sowie einem dreifachen Greifer die akkurate Schichtung und die präzise Montage. Die Maschinen zur Assemblierung von Lithium-Primärbatterien „made in Berlin“ sind in Kürze in den USA im Einsatz.

Bisher hatte der amerikanische Kunde die kleinen Batterien manuell gefertigt. Der große weltweite Bedarf des finalen medizintechnischen Produktes machte jedoch eine Automatisierung dringend erforderlich. Die Herausforderung: Bislang produzierte der große Medtech-Auftraggeber manuell und in kleinen Stückzahlen. Der Grund: Die Herstellung der Geräte musste sehr exakt und genau verlaufen, die Qualitätskontrolle hatte einen sehr hohen Stellenwert.

Die in der Handfertigung entstandenen Batteriezellen dienten sowohl der Produktentwicklung als auch der Qualifizierung. Sehr diffizil ist darüber hinaus, dass drei verschiedene, sehr kleine und empfindliche Teile gleichzeitig aufeinander gesetzt werden müssen. „Besonders herausfordernd bei der Konstruktion waren auch die vielen Normen und Vorschriften, die zu beachten waren“, erklärt Tobias Gensicke, Teamleiter Mechanische Konstruktion bei Jonas & Redmann.

Vier Robotereinheiten automatisieren Zuführung

Durch die Automatisierung will das amerikanische Unternehmen nun in die Massenproduktion der Batterie gehen, die Effizienz und Genauigkeit erhöhen und so auch die industrielle Fertigung des empfindlichen Produktes ermöglichen. Der Bereich der Automatisierung, den Omron unterstützt, betrifft die Zuführung und Positionierung der Hauptbestandteile (Anode und Kathode) mit vier gekoppelten Robotereinheiten inklusive Bildverarbeitung. Zusätzlich zur Positionierung soll nach dem Stanzen eine Qualitätskontrolle via hochauflösender Bildverarbeitung erfolgen.

„Entscheidend bei der Auswahl war das Gesamtkonzept bezüglich der Einheit von Roboter und Bildverarbeitung“, erklärt Frank Neumann, Field Sales Engineer Sensing, Safety and Components bei Omron. Aber auch das Vertrauensverhältnis zwischen Kunde und Anbieter habe eine zentrale Rolle gespielt. Jonas & Redmann setzt bereits seit über 15 Jahren auf die Roboter, Lösungen und Expertise der Automatisierungsexperten von Omron.

Eine weitere Herausforderung: Metall- auf Metallabrieb sollten innerhalb der Maschine verhindert werden. „Der gesamte Produktionsprozess der Batteriezellen musste ohne die Entstehung von Metallpartikeln ablaufen“, berichtet Tobias Gensicke.

BUCHTIPP Auf dem Stand der aktuellen Technik vermittelt das Fachbuch „Akkuwelt“ das Basiswissen zur Batterie-Technologie und bietet einen Überblick über die Entwicklung, den Bau und die Anwendung von Batterien. Außerdem gibt das Buch einen Einblick in potenzielle und zukünftige Entwicklungstendenzen.

Auch das Handling des sehr spezifischen Lithium-Metalls, das bei der Herstellung der Batterien zum Einsatz kommt, gestaltete sich als knifflig und war im Roboterauswahlprozess besonders zu beachten. So sollten Roboter, Greifer und Konfigurationsmöglichkeiten das schnelle und verlässliche Handling sehr empfindlicher Materialien gestatten.

Eine weitere Anforderung war die perfekte Adaption von Roboter- und Greifertechnologie. Im Verlauf des Projektes wurde der E-Cobra Pro für das Handling von sehr kleinen Bauteilen konfiguriert. Darüber hinaus sollte der Roboter mithilfe der integrierten Kameraüberwachung sicherstellen, dass es zu keinen Relativbewegungen von Metallen ohne vollständige Kapselung kommen konnte.

Das Stapeln und Stanzen der Elektroden stehen im Mittelpunkt der Anwendung mit dreifachem Greifer. Der Roboterarm nimmt zunächst Lithium und Anode auf, die in einem nächsten Schritt zusammengefügt werden.

Vier Kameraeinheiten überwachen Montageprozess

Es folgen das Versiegeln von Anode und Kathode und in einem letzten Schritt das Aufeinanderlegen der beiden Batteriekomponenten Anode und Kathode. Vier Kameraeinheiten überwachen den gesamten Montageprozess.

In der finalen Ausbaustufe des Projektes wird die Maschine eine Batterie in 70s assemblieren und überprüfen. Ein weiteres Ziel der Automatisierung durch die Jonas & Redmann-Entwicklung ist der kommerzielle Launch des Medizinproduktes. Omron unterstützt hierbei mit leistungsfähiger Roboter- und Visualisierungstechnik in einer einzigen integrierten Lösung.

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„Auch die Software spielt beim Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten eine wichtige Rolle“, fügt Elke Beune, Teamleitung Unternehmenskommunikation bei Jonas & Redmann, hinzu. Die gelieferten Kamerasysteme von Omron enthalten ein umfangreiches Softwarepaket, das beispielsweise Algorithmen für die Korrekturberechnung, also die exakte Ablage der Elektrodensheets, beinhaltet.

Sowohl Zusammenbau als auch Qualität werden von den Kameras kontrolliert, darunter auch die präzise Stanzkontur, die für eine verlässliche Funktion des finalen Produktes so wichtig ist.

„Omron hat uns umfassend bei der Inbetriebnahme begleitet“, erklärt Beune. Den Teilnehmern der Roboter- und Kameraschulung habe der Workshop gefallen, was mit dem geschulten Personal zusammenhänge. Beune: „Die Zuständigen im Bereich Software und Inbetriebnahme haben sich wirklich toll betreut gefühlt.“

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