Le batterie svolgeranno un ruolo cruciale nel futuro del mercato energetico, sia per la mobilità che per lo stoccaggio di energia. Secondo la International Energy Agency (IEA), per soddisfare la produzione mondiale stimata di veicoli elettrici (EV) la capacità produttiva globale di batterie per EV dovrà più che triplicare tra il 2020 e il 2025.
Per produrre i miliardi di watt di energia di cui i veicoli elettrici avranno bisogno nei decenni a venire, saranno necessarie gigafactory per la produzione di batterie. Per realizzare questo obiettivo non sarà sufficiente limitarsi ad ampliare le tecniche e le tecnologie di produzione tradizionali. Occorrerà pensare ai processi di produzione in modo nuovo per massimizzare la velocità, la flessibilità e il rendimento. La produzione intelligente è uno strumento essenziale per aumentare la produzione di batterie. Ci piace chiamarla “digital thread” perché la produzione intelligente non è solo una questione di esecuzione, ma riguarda anche l’ottimizzazione dell’intero ciclo di vita.
Tutto ha inizio nelle fasi iniziali delle attività di ricerca e sviluppo durante le quali chimici e tecnici elaborano le idee per batterie di nuova concezione, utilizzando per il progetto gli strumenti offerti dalla chimica computazionale e dal Cad, avvalendosi anche del PLM per gestire lo sviluppo del prodotto. L’inizio del digital thread coincide con il momento in cui si cominciano ad aggregare informazioni in un ambiente virtuale. Durante il ciclo di verifica, strumenti come MatLab e Ansys generano dati ancora più preziosi.
Questi dati vengono utilizzati per sviluppare “digital twin”, vale a dire macchine di pianificazione e collaudo delle operazioni nel mondo virtuale, in vista di un successivo utilizzo nel processo di produzione. I digital twin agevolano la formazione del personale nel mondo virtuale e consentono un rapido avvio della produzione al momento opportuno. Ma non è tutto. Con la produzione, la vendita e l’utilizzo dei prodotti, i dati vengono raccolti nel mondo reale e riportati nel mondo virtuale, consentendo l’ottimizzazione sia dei prodotti che dei processi. Questa fusione tra mondo fisico e virtuale rappresenta il futuro della produzione di batterie.
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Monitoraggio intelligente della produzione nella fabbricazione di batterie
Uno degli aspetti più importanti del digital thread è la maggiore visibilità ottenuta mediante il monitoraggio della produzione. Il monitoraggio della produzione si basa su una suite software denominata “sistema di gestione della produzione” (Manufacturing Execution Systems, MES). La suite Mes viene utilizzata da decenni nella produzione automotive, ma rivestirà un’importanza cruciale per i produttori di batterie, soprattutto per quanto concerne la personalizzazione. Lo sviluppo del mercato sarà accompagnato da un aumento della domanda di personalizzazione, che potrà arrivare alla richiesta di lotti unici per ciascuna vettura.
Il software Mes consente di integrare i sistemi di controllo e quelli aziendali per dar seguito agli ordini e monitorarli in tutta l’azienda. Consente inoltre di individuare il contesto aggiuntivo necessario per trasformare i dati di produzione in informazioni utilizzabili. È persino possibile iniziare a utilizzare le applicazioni Mes su piccola scala per affrontare problematiche di produzione specifiche. Se ad esempio si sta cercando di comprendere il motivo di alcune anomalie, è possibile utilizzare un’applicazione Mes per il controllo della qualità al fine di rilevare, identificare e segnalare quando i processi di una macchina o di un operatore non rispettano i limiti prescritti.
Un’altra applicazione possibile è nel “track-and-trace”, che assicura la completa tracciabilità delle batterie lungo l’intero processo di produzione, contribuendo a garantire che siano sicure per l’uso.
Infine è possibile aumentare la capacità delle applicazioni con una suite software Mes aziendale in grado di fornire un’unica versione attendibile di tutte le operazioni.
Un altro esempio significativo di raccolta dati paperless automatizzata e intelligente è il Battery Passport della Global Battery Alliance (GBA). Il Battery Passport fornisce informazioni attendibili sugli indicatori riguardanti l’adozione di pratiche responsabili e sostenibili. Questo si traduce in un vero e proprio sigillo di qualità, che registra in modo veritiero la provenienza, la gestione, il riciclaggio e l’utilizzo responsabile di una batteria lungo l’intero ciclo di vita. Il ruolo del Battery Passport nel sostenere una catena del valore responsabile per le batterie ha avuto l’imprimatur sia nell’ambito di dibattiti finalizzati alla definizione di politiche globali, come il G7 del 2021, sia nella bozza della direttiva UE sulle batterie, sia da parte delle amministrazioni di Canada e Stati Uniti. I relativi dati devono essere tutti aggregati automaticamente.
Migliore: lo conferma il benchmarking
In collaborazione con Samsung SDI, Rockwell Automation ha sviluppato un sistema MES che non solo non è basato su supporti cartacei, ma si serve di un anello di qualità. Ogni fase produttiva è documentata dal Mes. Ad esempio, FactoryTalk Analytics può indicare che l’aumento dei tassi di errore presso una stazione di incollaggio delle batterie è direttamente riconducibile ai fusti di adesivi recentemente integrati nel processo di produzione. Secondo Samsung SDI, questo strumento di analisi contribuisce a un significativo aumento dell’efficienza nelle aree più disparate. Non solo consente di gestire gli aspetti più evidenti, ma mette anche in relazione le dipendenze corrette per realizzare un processo di miglioramento continuo. Inoltre è facile da usare. Il semplice fatto che sia ora possibile acquisire in cinque minuti informazioni che prima richiedevano almeno un’ora, dimostra la rapidità di ammortamento di questa soluzione.
Per quanto riguarda la disponibilità dei dati fuori del Mes, stiamo collaborando con PTC alla piattaforma IoT di questa azienda, allo scopo di aumentare la visibilità degli asset. Una volta raccolti i dati e aumentata la visibilità, è possibile effettuare il benchmarking di macchine diverse in tutto il mondo. Se si dispone di dieci stabilimenti di produzione, questa soluzione permette di vedere quali stabilimenti, linee e macchine funzionano meglio di altre. Non vengono aggregate in tempo reale solo le informazioni provenienti dalle diverse officine, ma vengono aggiunte anche quelle di numerose altre fonti, così da avere una visione a 360 gradi delle operazioni.
Sistemi di trasporto intelligenti
C’è chi pensa che la produzione intelligente sia solamente una questione di software, ma si tratta di un’idea totalmente errata. L’hardware rivestirà un ruolo determinante nelle gigafactory, sotto forma di macchine performanti e flessibili. Apparecchiature come i sistemi di trasporto tradizionali possono solo rallentare le attività. Questi sistemi utilizzano infatti tecnologie di motion control con centinaia di parti meccaniche, come catene, cinghie e riduttori. Presentano quindi una flessibilità limitata, oltre che velocità di funzionamento e velocità di accelerazione/decelerazione che possono risultare insufficienti per le esigenze di una gigafactory.
Un’alternativa migliore è rappresentata da un sistema di motion control con tecnologia di movimentazione a carrelli indipendenti (Independent Cart Technology, ICT). Privo dei vincoli di un sistema di trasporto tradizionale, l’ICT rende possibile la creazione di linee più veloci e flessibili per la produzione di batterie, grazie all’utilizzo di movimentatori indipendenti e programmabili. Inoltre, è in grado di ridurre drasticamente i tempi di cambio produzione grazie a semplici profili software che permettono di cambiare prodotto con la semplice pressione di un pulsante. In un caso, Eagle Technologies ha utilizzato questa tecnologia per una macchina di assemblaggio di gruppi batteria sviluppata per massimizzare il rendimento nella produzione di batterie per veicoli elettrici. Le capacità della macchina vanno dalla movimentazione delle singole celle all’assemblaggio completo di moduli e gruppi batteria, compresa anche l’esecuzione delle necessarie verifiche. La macchina incorpora servomotori lineari che posizionano ad alta velocità i carichi esattamente nella direzione corretta. Inoltre, per il cambio prodotto basta selezionare la modalità corretta dall’interfaccia operatore.
Avanti verso il futuro
Per consentire al mercato, in forte crescita, dei veicoli elettrici di fare la sua parte nella decarbonizzazione della mobilità, saranno necessarie gigafactory altamente efficienti e flessibili e in grado di produrre batterie per EV in grandi quantitativi, molto rapidamente e assicurando una qualità sempre elevata. Il digital thread end-to-end svolgerà un ruolo cruciale nel tradurre in realtà queste strutture basate sui dati.
