Assemblaggio batterie automatizzato vs manuale: analisi di costi, qualità e produttività

A cura di Dany Huang, Ph.D.

Entrate in un reparto di assemblaggio di batterie durante un turno di produzione. A sinistra, gli operatori in tute da camera bianca lavorano a un ritmo costante: allineano i fogli degli elettrodi, posizionano gli strati separatori, inseriscono i componenti negli appositi supporti. Ogni movimento è preciso. Ogni cella richiede minuti. A destra, una linea automatizzata procede a una velocità che l'occhio umano fatica a seguire: bracci robotici prelevano e posizionano pile di elettrodi in meno di un secondo, teste di saldatura laser emettono impulsi in millisecondi, e le celle complete emergono ogni pochi secondi. Stesse specifiche di prodotto. Due approcci completamente diversi alla sua realizzazione.

La domanda che si pone a ogni produttore di batterie, dalla startup alla gigafactory, non è se l'automazione sia migliore. La domanda è: in base al volume di produzione, al mix di prodotti e alla soglia di qualità, in quale punto dello spettro tra la produzione manuale e quella completamente automatizzata la soluzione economicamente più vantaggiosa? TOB NUOVA ENERGIA, uno dei produttori con sede in Cina che opera in questo settore, realizza sia linee automatizzate che postazioni di lavoro semiautomatizzate: una duplice capacità che influenza l'analisi presentata in questo articolo. Questo articolo delinea il quadro decisionale.

Capitolo 1: Cosa comprende effettivamente l'assemblaggio

L'assemblaggio delle batterie comprende sei fasi di processo principali, ognuna delle quali presenta un diverso livello di sensibilità alla precisione e una diversa suscettibilità alla variabilità umana.

Taglio e fessurazione degli elettrodi.Le bobine di elettrodi rivestiti e calandrati vengono tagliate con precisione dimensionale. La precisione dimensionale, in genere entro ±0,1-0,2 millimetri, influisce direttamente sulla precisione di allineamento delle fasi successive di impilamento o avvolgimento.

Impilamento o avvolgimento.Gli elettrodi e gli strati separatori vengono combinati per formare la struttura della cella. Questa è la fase di assemblaggio che ha il maggiore impatto sulle prestazioni della cella: la resistenza interna, la densità energetica e la durata del ciclo di vita dipendono tutte dalla geometria definita in questa fase.

Saldatura a linguetta.Le linguette degli elettrodi positivo e negativo vengono unite ai terminali del collettore di corrente, in genere tramite saldatura a ultrasuoni o laser. La consistenza e la resistenza della saldatura determinano direttamente la resistenza interna della cella e l'affidabilità a lungo termine. Questa è una delle fasi più critiche in termini di qualità dell'intera catena di assemblaggio.

Involucro.Il gruppo di elettrodi viene inserito nell'alloggiamento della cella: un contenitore in alluminio, in acciaio o in una busta di laminato di alluminio. Il processo di assemblaggio richiede un feedback tattile per compensare le piccole variazioni dimensionali tra il gruppo di elettrodi e l'alloggiamento.

Rifornimento di elettroliti.L'elettrolita viene dispensato nella cella in condizioni ambientali controllate. La precisione del volume di riempimento e l'uniformità della distribuzione influenzano la bagnabilità dell'elettrodo e la qualità della sua formazione.

Sigillatura.La cella è sigillata ermeticamente. L'integrità della sigillatura determina direttamente la durata e la sicurezza della cella: una sigillatura difettosa permette all'umidità di penetrare, la quale reagisce con l'elettrolita formando HF, che degrada ogni componente con cui entra in contatto.

Ciascuna di queste fasi si colloca in un punto diverso dello spettro di fattibilità dell'automazione. Comprendere quali fasi siano più sensibili alla variabilità umana e quali invece più tolleranti è il fondamento di una strategia di automazione intelligente.

Diagramma di flusso del processo di assemblaggio della batteria

Capitolo 2: I costi — Oltre il prezzo delle apparecchiature

Il confronto tra le spese in conto capitale per l'assemblaggio manuale e quello automatizzato è ingannevolmente semplice. Una linea di assemblaggio completamente automatizzata costa da due a cinque volte di più rispetto a una equivalente semi-automatizzata e oltre dieci volte di più rispetto a una postazione di lavoro manuale. Ma le spese in conto capitale rappresentano solo il costo visibile.

L'assemblaggio manuale comporta costi operativi che crescono linearmente con il volume di produzione. Manodopera diretta. Manodopera per il controllo qualità. Costi di formazione: un nuovo operatore in genere necessita di due o quattro settimane per raggiungere la produttività e la resa standard. Costi di turnover: ogni operatore che lascia il lavoro porta con sé le competenze acquisite e ogni sostituto deve ricominciare da zero il percorso di formazione. Nei mercati del lavoro con un elevato turnover, questi costi possono superare i salari.

L'assemblaggio automatizzato sostituisce il lavoro con il capitale, ma sostituisce un insieme di costi nascosti con un altro. Ingegneri programmatori e di debug. Tempi di inattività durante la manutenzione: quando una linea automatizzata si ferma, tutte le stazioni si fermano simultaneamente. L'OEE di una linea automatizzata dipende maggiormente dalla velocità di intervento per la manutenzione rispetto a una linea manuale, dove l'assenza di un operatore non arresta gli altri.

Il costo meno visibile è quello della scarsa qualità. I ​​tassi di scarto nell'assemblaggio manuale si attestano in genere tra l'1 e il 5%, a seconda della complessità del processo e dell'abilità dell'operatore. I tassi di scarto nell'assemblaggio automatizzato possono rimanere al di sotto dello 0,1-1%. Tuttavia, una cella di assemblaggio scartata ha consumato l'intero valore delle fasi di lavorazione a monte: preparazione del materiale, miscelazione, rivestimento, calandratura. Ogni punto percentuale di aumento del tasso di scarto rappresenta non solo il costo della cella scartata, ma anche il costo cumulativo di ogni fase del processo investita in essa. Questo costo è invisibile nel budget delle attrezzature e si manifesta mesi dopo nel report delle varianze di produzione.

Il punto di pareggio dipende dai costi della manodopera locali, dal valore del prodotto, dall'utilizzo della linea e dal ciclo di vita del prodotto. Gli ingegneri applicativi di TOB NEW ENERGY modellano regolarmente questo punto di pareggio per i clienti, perché la risposta corretta dipende da variabili che nessun foglio di calcolo generico può cogliere. Per volumi annui inferiori a circa un milione di celle, con diversi formati di prodotto e costi di manodopera modesti, l'assemblaggio manuale o semiautomatico può offrire un costo totale inferiore. Per volumi annui superiori a dieci milioni di celle, con un unico formato di prodotto e requisiti di elevata uniformità, come nella produzione di celle per autoveicoli, il vantaggio in termini di costo totale di proprietà (TCO) dell'assemblaggio automatizzato aumenta con ogni anno di attività aggiuntivo.

Capitolo 3: Qualità: mani umane e precisione delle macchine

La variabilità umana nell'assemblaggio ha radici fisiologiche, non gestionali. Dopo quattro ore di funzionamento continuo, il controllo motorio fine e l'attenzione si degradano in modo misurabile. Due operatori traLavorando con lo stesso istruttore, si svilupperanno diverse pressioni della mano, diverse abitudini di allineamento e diverse soglie di rilevamento dei difetti nel corso di mesi di lavoro indipendente. Nei compiti ripetitivi, il cervello umano entra in modalità pilota automatico, dove sottili deviazioni – una piega del separatore, un elettrodo leggermente disallineato – passano inosservate.

Un operaio salda il tappo di una batteria su una linea di assemblaggio manuale di celle cilindriche.

La precisione delle macchine funziona in modo diverso. Una volta calibrato, un sistema robotizzato di prelievo e posizionamento mantiene la stessa accuratezza di posizionamento per milioni di cicli. Una saldatrice laser eroga lo stesso profilo energetico a ogni giunzione. Ma la precisione delle macchine è rigida: dipende dalla consistenza del materiale in ingresso. Se le dimensioni delle lamiere degli elettrodi variano di ±0,05 millimetri all'interno di un lotto, un impilatore automatico posizionerà ogni lamiera nella posizione programmata e la pila risultante porterà con sé tale variazione nella cella. Un operatore umano potrebbe notare la variazione e compensarla.

Questo crea una dinamica controintuitiva: l'automazione migliora la qualità quando i materiali in ingresso sono uniformi, ma può amplificare i problemi di qualità quando non lo sono. I vantaggi dell'automazione in termini di qualità sono più evidenti nelle fasi in cui sia la sensibilità alla qualità è elevata, sia l'uniformità dei materiali in ingresso è ben controllata.

La saldatura e la sigillatura delle linguette sono le operazioni che danno la massima priorità all'automazione. Entrambe influiscono sulla sicurezza e sulla durata delle celle di produzione. Entrambe richiedono precisione e uniformità che le operazioni manuali faticano a garantire per l'intero turno di produzione.TOB'sbatteriaassemblaggiomacchina Il portfolio comprende stazioni di saldatura e sigillatura automatizzate, specificamente progettate per queste fasi critiche per la qualità. Il requisito Cpk per le celle di qualità automobilistica, in genere pari o superiore a 1,33, rappresenta una soglia statistica che la saldatura e la sigillatura manuali non sono in grado di soddisfare in modo affidabile.

L'automazione dell'impilamento e dell'avvolgimento dipende dal formato e dal volume. L'avvolgimento di celle cilindriche è il processo di assemblaggio automatizzato più consolidato del settore. L'impilamento di celle a sacchetto ad alta velocità rimane un'area in cui il compromesso tra velocità di automazione e precisione di impilamento è oggetto di continua ottimizzazione.

La fase di incapsulamento è quella in cui la destrezza manuale conserva la sua importanza. Le minime variazioni dimensionali tra le pile di elettrodi e gli alloggiamenti delle celle richiedono un adattamento tattile che i sistemi automatizzati gestiscono tramite costosi meccanismi di rilevamento e conformità. Per volumi da bassi a medi, il sovrapprezzo dell'automazione per l'incapsulamento potrebbe non essere giustificato dal miglioramento della qualità.

Capitolo 4: Produttività: velocità, colli di bottiglia e flessibilità

Il confronto dei tempi di ciclo racconta una storia chiara. Una linea completamente automatizzata produce celle ogni 2-5 secondi. Una linea semi-automatizzata, ogni 15-60 secondi. Una postazione di lavoro manuale, diversi minuti per cella. Ma questi numeri confrontano solo il funzionamento a regime e a pieno utilizzo.

Un sistema completamente automatizzatoassemblaggio di cellule prismatichelinea

Il comportamento del collo di bottiglia differisce tra linee manuali e automatizzate. In una linea manuale, il collo di bottiglia è in genere la fase che richiede maggiore precisione, come la saldatura o l'impilamento delle linguette, in cui gli operatori rallentano naturalmente per mantenere la qualità. In una linea automatizzata, il collo di bottiglia è la fase fisicamente più lenta, come il riempimento dell'elettrolita con il relativo tempo di bagnatura, o la formazione con la sua durata di diverse ore, che nessun livello di automazione può accelerare.

La flessibilità di cambio formato è il principale argomento a favore del mantenimento di stazioni manuali o semiautomatiche. Una linea manuale può passare da un formato di celle all'altro con una nuova istruzione di lavoro e la sostituzione di un dispositivo di fissaggio, in pochi minuti o ore. Una linea automatizzata richiede invece riprogrammazione, sostituzione del dispositivo di fissaggio e ricalibrazione, con tempi che vanno da ore a giorni. Le apparecchiature di taglio e rifilatura a cambio rapido, coperte dai brevetti CN202122021936 e CN202122020284 (detenuti da TOB NEW ENERGY), rispondono specificamente alle esigenze di velocità di cambio formato. Per i produttori che realizzano celle di diversi formati in piccoli lotti, il costo di cambio formato di una linea completamente automatizzata può annullare il vantaggio in termini di produttività.

La configurazione più comune nella pratica è quella ibrida: automatizzare le fasi critiche per la qualità in cui la precisione giustifica l'investimento, mantenendo postazioni manuali o semiautomatiche laddove la flessibilità è fondamentale. TOB NEW ENERGY fornisce apparecchiature di assemblaggio per l'intero spettro di questo tipo, dalle postazioni di lavoro semiautomatiche autonome per startup e ambienti di ricerca e sviluppo alle linee completamente automatizzate integrate per la produzione ad alto volume, consentendo ai produttori di pianificare gli investimenti nell'automazione in base ai dati di qualità che individuano le fasi in cui il miglioramento della coerenza genererà il maggior ritorno sull'investimento.

Capitolo 5: La realtà ibrida

La maggior parte delle linee di assemblaggio di batterie non sono né completamente manuali né completamente automatizzate. Sono ibride e la decisione su quali fasi automatizzare segue una logica ingegneristica, non una logica di bilancio.

Le fasi di produzione con il più alto ritorno sull'investimento in termini di automazione sono quelle in cui si sovrappongono tre condizioni: elevata sensibilità alla qualità, controllo preciso della consistenza del materiale in ingresso e impossibilità di raggiungere in modo affidabile la soglia di qualità con il metodo Cpk manuale. La saldatura e la sigillatura delle linguette ne sono gli esempi più lampanti. Entrambe sono fasi critiche per la sicurezza. Entrambe richiedono una precisione che gli operatori umani affaticati non possono mantenere per un intero turno. In entrambe le fasi, il costo di un singolo guasto sul campo supera di gran lunga l'investimento nell'automazione.

Le fasi in cui la variabilità del materiale in ingresso è elevata, come ad esempio l'inserimento dell'involucro, traggono meno vantaggio dall'automazione completa. I brevetti di TOB NEW ENERGY relativi alla progettazione degli involucri (CN202230781031 per le celle cilindriche, CN202230775678 per le celle prismatiche) testimoniano l'attenzione ingegneristica dedicata alla fase di inserimento dell'involucro. Un dispositivo di fissaggio che posiziona l'involucro mentre l'operatore ne guida l'inserimento offre la maggior parte dei vantaggi in termini di uniformità a una frazione del costo di una stazione di inserimento completamente automatizzata.

Il percorso di automazione segue uno schema a fasi. Prima fase: automatizzare innanzitutto le fasi critiche per la qualità, come la saldatura delle linguette e la sigillatura, anche a bassi volumi. Stazioni di saldatura automatizzate di TOB NEW ENERGY Affrontare direttamente questa fase. Fase due: man mano che la produzione aumenta e si accumulano dati sulla qualità, automatizzare le fasi in cui i dati di coerenza tra i lotti mostrano la maggiore variabilità. Fase tre: valutare l'automazione completa della linea quando il volume, la stabilità del formato e la maturità del processo giustificano il costo del cambio di formato.

saldatrice automatica per linguette di batterie

I fornitori di apparecchiature che offrono soluzioni di assemblaggio sia automatizzate che semiautomatizzate, anziché solo una delle due, possono supportare questo percorso graduale senza obbligare il produttore a cambiare fornitore tra una fase e l'altra. I brevetti relativi alle apparecchiature di assemblaggio detenuti da TOB NEW ENERGY riflettono questa duplice capacità: un brevetto per un dispositivo di taglio delle batterie (CN202122021936) riguarda il taglio di precisione con pulizia integrata per prevenire la contaminazione da particelle; un brevetto per un dispositivo di taglio (CN202122020284) copre la capacità di cambio rapido multiformato, ovvero il tipo di dettaglio ingegneristico che determina i tempi di cambio in una linea ibrida; i brevetti di progettazione per alloggiamenti cilindrici (CN202230781031) e prismatici (CN202230775678) riguardano la fase di incapsulamento in cui gli utensili specifici per formato influiscono direttamente sulla fattibilità dell'automazione.

Capitolo 6: Il quadro decisionale per l'automazione

La decisione di automatizzare una fase di assemblaggio delle batterie non è binaria. Si tratta di una valutazione multidimensionale che va effettuata passo dopo passo, non riga per riga.

Primo passo: determinare la sensibilità qualitativa per ogni fase. La saldatura e la sigillatura delle linguette giustificano l'automazione per motivi di qualità, indipendentemente dal volume: un singolo guasto sul campo in una delle due fasi ha conseguenze sulla sicurezza e sulla garanzia che superano di gran lunga l'investimento nelle apparecchiature. Questa è la logica alla base delle stazioni di saldatura e sigillatura automatizzate presenti nel portfolio di assemblaggio di TOB NEW ENERGY.

Fase due: valutare la consistenza del materiale in ingresso per ogni fase. Le fasi con elevata variabilità del materiale potrebbero non trarre vantaggio dall'automazione completa. Investire prima nel controllo del processo a monte per ridurre la variabilità, quindi automatizzare.

Terzo passo: modellare il costo totale di proprietà, non solo il prezzo dell'attrezzatura. Includere il costo della scarsa qualità, ovvero gli scarti moltiplicati per il costo cumulativo di lavorazione a monte. Includere il costo di cambio formato se vengono prodotti più formati. Includere il costo della formazione e del ricambio degli operatori per le fasi manuali.

Quarto passo: pianificare l'automazione come un programma a fasi, ovvero un percorso supportato dal produttore con attrezzature che spaziano dalle postazioni di lavoro semiautomatiche alle linee complete, non un singolo progetto. Automatizzare prima le fasi critiche per la qualità. Utilizzare i dati di qualità derivanti dalle fasi automatizzate per identificare le successive priorità di automazione. Procedere verso l'automazione completa della linea quando i dati lo consentono, non quando il budget lo permette. L'approccio di TOB alla fornitura di attrezzature di assemblaggio, che offre postazioni manuali, semiautomatiche e completamente automatiche all'interno dello stesso quadro ingegneristico, supporta questo percorso senza imporre investimenti prematuri o richiedere cambi di fornitore tra le fasi.

L'automazione non è un interruttore. È una manopola, e l'impostazione corretta dipende dal punto in cui ci si trova lungo la curva che va dal prototipo iniziale alla produzione su scala di gigawattora.

Riepilogo del processo di assemblaggio della batteria: La scelta tra assemblaggio automatico e manuale delle batterie è una decisione ingegneristica dettata da considerazioni economiche e qualitative, non da una preferenza tecnologica binaria. L'assemblaggio delle batterie comprende sei fasi principali: taglio degli elettrodi, impilamento o avvolgimento, saldatura delle linguette, incapsulamento, riempimento dell'elettrolita e sigillatura, ognuna con diversi livelli di sensibilità alla precisione e alla variabilità umana. L'analisi del costo totale di proprietà deve includere il costo nascosto della scarsa qualità, dove gli elevati tassi di scarto dovuti all'assemblaggio manuale annullano il valore accumulato di tutti i processi a monte. La saldatura delle linguette e la sigillatura sono le fasi che danno la massima priorità all'automazione: i loro requisiti di qualità superano ciò che l'operazione manuale può garantire in modo costante. La maggior parte delle linee di produzione converge verso un modello ibrido: automatizzare dove la qualità e la produttività giustificano l'investimento, mantenere le postazioni manuali o semiautomatiche dove la flessibilità e la redditività dei piccoli lotti sono prioritarie. La strategia di automazione più economica è graduale e basata sui dati: automatizzare prima dove la variabilità qualitativa è maggiore, non dove il budget è più elevato.

Dany Huang, Ph.D. — Amministratore delegato, Xiamen TOB New Energy Technology Co., Ltd.