Linie de asamblare automată a bateriilor: de unde provin de fapt economiile de muncă

Autor: Dany Huang, Ph.D.

CEO și lider în cercetare și dezvoltare, TOB New Energy

Conectați-vă cu Dr. Huang pe LinkedIn

Rezumat executiv și concluzii cheie

Costul forței de muncă în asamblarea bateriilor nu este distribuit în mod uniform-ci este concentrat într-o mână de stații repetitive: stivuirea electrozilor, sudarea cu tablă, carcasă și testare. Automatizarea înlocuiește acele mișcări umane specifice cu dispozitive de prindere servo-acționate și transfer ghidat de viziune, reducând munca directă cu 60-80 %, în timp ce crește randamentul la prima trecere, deoarece un robot nu obosește la ora opt. Rambursarea este o funcție a producției pe linie și a ratei forței de muncă încărcate local, nu numai a prețului mașinii.

• A linie cilindrică semiautomatăare nevoie de obicei de 8-12 operatori; un echivalent complet automat rulează cu 2–3 pentru aceeași ieșire.
• Costul forței de muncă directă pe celulă scade de la aproximativ 0,10–0,20 USD la 0,02–0,05 USD la volume pilot de 1–5 milioane de celule pe an.
• Transferul corelat cu timpul ciclului, nu viteza brută a robotului, setează ieșirea pe linie-o stație care durează 4 s per celulă limitează o linie de 15 celule/min, indiferent cât de repede se mișcă robotul.
• Rentabilitatea investiției în automatizare depășește 24 de luni doar peste un prag de volum; sub el, semi-automat rămâne decizia rațională a capitalului.

O linie de asamblare de celule cilindrice cu șase operatori poate produce 12-15 celule pe minut la cea mai bună oră. La ora șapte, mâinile operatorului de stivuire încetinesc. Deplasări de poziționare prin sudură cu tablă. Stația de testare face backup. Debitul real ajunge aproape de 60 % din plăcuța de identificare, iar costul forței de muncă pe celulă crește cu fiecare refuz.

Automatizarea asamblarii nu înseamnă a face linia mai rapidă pe hârtie. Este vorba despre a face ca linia să-și mențină viteza de pe plăcuța de identificare pe o tură completă, cu mai puține mâini în buclă. Economiile provin din schimbări specifice, măsurabile: prinderea robotizată înlocuiește plasarea umană, transferul automat înlocuiește mersul pe jos și așteptarea, iar inspecția în linie înlocuiește descoperirea la sfârșitul liniei.

Unde se ascunde forța de muncă într-o linie de asamblare a bateriilor

Mergeți pe orice linie de asamblare manuală sau semi-automată și costul forței de muncă se concentrează în aceleași cinci locuri:

• Stivuire electrozi/încărcare înfăşurată.Fiecare celulă are nevoie de electrozi, separatoare și file aliniate în fracții de milimetru. Un operator uman plasează fiecare componentă manual, iar timpul de plasare plus realinierea consumă 30-40 % din munca totală de asamblare.
• Poziţionarea sudării cu tablă.Celula trebuie să fie orientată astfel încât urechea să aterizeze pe punctul de sudare. Poziționarea manuală este lentă și variabilă; sudurile nealiniate apar ca defecțiuni în circuit deschis la test.
• Carcasă și etanșare.Introducerea rolei de jeleu sau a stivei de electrozi în cutie, sudarea capacului și sertizarea sau etanșarea necesită o forță constantă și o curățenie pe care mâinile nu le pot garanta în timpul unei ture.
• Umplerea și manipularea cu electroliți.Umplerea este automatizată chiar și în liniile semi-automate, dar încărcarea și descărcarea dispozitivului de umplere este muncă manuală.
• Testare și sortare.Fiecare celulă trebuie să fie ciclată de formare, gradată și inspectată vizual. Manipularea manuală între rafturile de testare este atât grea în muncă, cât și un risc de contaminare.

Model: etapele procesului care adaugă valoare (sudare, umplere) sunt deja conduse de mașină, darlucrează în jurul lor-încărcarea, transferul, orientarea, descărcarea-este uman. Această soluție este ținta automatizării.

Miezul mecanic: prinderi care se manevrează fără deteriorare

Motivul pentru care ansamblul bateriei a rezistat automatizării ani de zile este piesa de prelucrat. O rolă de jeleu este moale, se deformează ușor și poartă o suprafață acoperită care se descuamează dacă este prins greșit. O rolă cilindrică înfășurată trebuie ridicată de miez sau susținută pe toată lungimea sa, niciodată ciupită într-un punct.

Roboții moderni de asamblare rezolvă acest lucru cu efectori finali specifici aplicației:

• Gripere paralele servomotor cu control al forțeiprindeți elementele dure-corpurile cutiei, ansamblurile capacelor, cablurile urechilor-cu o forță de închidere programabilă care nu depășește niciodată limita de strivire a piesei.
• Prindere cu vid cu tampoane moiridicați electrozii și separatoarele prin aspirație de suprafață, distribuind sarcina pe suprafața acoperită, astfel încât materialul activ să nu se scadă. Materialele de tampon sunt selectate pentru a nu arunca particule în mediul curat.
• Mandrine de prindere cu miez pentru rulouri cilindrice de jeleuse extinde în interiorul dornului gol, ridicând rola fără a atinge vântul exterior.
• Pick-and-place ghidat de viziunelocalizează fiecare parte înainte de prindere, tolerând împrăștierea poziției pe care o introduc inevitabil un transportor și stațiile din amonte.

Ideea de inginerie este că un robot este la fel de bun ca efectul său final și viziunea sa. O linie automatizată construită cu prindere generice va deteriora celulele și va funcționa la un timp de funcționare scăzut. Designul liniei începe cu fizica manipulării pieselor, nu cu modelul robotului.

Flux automat: a doua jumătate a ecuației

Prinderea robotică îndepărtează mâinile din stațiile individuale. Transferul automat elimină forța de muncă între stații-și este locul în care majoritatea liniilor „automatizate” eșuează liniștit.

Sistemul de transfer trebuie să fiepotrivire ciclu-timp. Dacă o stație de stivuire durează 8 s per celulă și stația de sudare cu tab-uri durează 5 s, linia rulează la maximum 7,5 celule/min, cu excepția cazului în care tamponurile absorb diferența. Domină trei arhitecturi de transfer:

Pentru o linie pilot cilindrică, dispozitivul de indexare a fasciculului mobil este calul de lucru: celulele se mișcă pe un pas fix, fiecare stație efectuează o operație și întreaga linie pulsează la unison. Pentru celulele pungilor, paleții independenți domină deoarece etapele procesului-stivuire, sudare cu filet, etanșare, degazare-se desfășoară la durate foarte diferite și necesită decuplare.

Buffering-ul este detaliul care separă o linie teoretică de una care rulează. Un mic magazin tampon între o stație rapidă și una lentă absoarbe variația naturală a timpului de ciclu și împiedică oprirea liniei ori de câte ori o singură stație sughițează. Liniile fără tampon se opresc la prima eroare minoră; liniile cu tampoane circulă prin ele.

A vs B: Asamblare semi-automată vs. complet automată

Comparația sinceră nu este mașină-contra-mașină. Sunt două modele de funcționare.

Model semi-automat.Mașini individuale-un bobinator, o sudură cu filet, o sertizare-fiecare operată de un muncitor dedicat, cu celule transportate manual între stații sau pe benzi transportoare simple. Costul capitalului este scăzut. Ieșirea se scalează liniar cu numărul de angajați. Calitatea depinde de consecvența operatorului. Trecerea între formate este rapidă, deoarece oamenii se adaptează instantaneu.

Model complet automat.O linie integrată cu manipulare robotizată, transfer automat și inspecție în linie între fiecare etapă a procesului. Costul de capital este ridicat-de obicei 3–6× un echivalent semi-auto. Ieșirea este stabilită de timpul de ciclu echilibrat al liniei, nu de numărul de angajați. Calitatea este consecventă deoarece fiecare celulă urmează aceeași cale mecanică. Schimbarea necesită modificări ale rețetei și ale dispozitivelor gestionate de software.

Diferența de randament contează mai mult decât decalajul de muncă. O îmbunătățire a randamentului cu 5 % pe o linie care produce 2 milioane de celule pe an înseamnă cu 100.000 de rebuturi mai puține-mai mult ca material și costuri de reprelucrare decât întregul salariu al operatorului pe care îl înlocuiește.

Modelul ROI: costul forței de muncă pe celulă și volumul de rentabilitate

Valoarea deciziei este simplă: costul forței de muncă pe celulă=(operatori × costul forței de muncă anuale încărcate) ÷ celule anuale produse.

Costul forței de muncă încărcate-salariile plus beneficii, prime de schimb și formare- variază foarte mult în funcție de regiune, de la aproximativ 15.000 USD/an în anumite părți din Asia de Sud-Est la 60 USD000+/an în Europa de Vest și America de Nord. Această răspândire schimbă complet răspunsul automatizării.

Model funcțional, 2 milioane de celule pe an:

• Semi-automat: 10 operatori × 40 USD,000=400.000 USD/an → 0,20 USD per celulă.
• Auto complet: 3 operatori × 40 USD,000=120.000 USD/an → 0,06 USD per celulă.
• Economie anuală de muncă: 280.000 USD.
• Față de o linie de 1,2 milioane USD, rambursarea numai a forței de muncă ≈ 4,3 ani-înainte de economii de randament și resturi.

Adăugați îmbunătățirea randamentului (să zicem 4 % din 2 milioane de celule=80.000 de celule economisite la un cost de material de 2,50 USD fiecare=200.000 USD/an) și amortizarea scade la aproximativ 2,5 ani. Acesta este motivul pentru care modelele de rentabilitate a investiției care numără doar forța de muncă sunt sistematic pesimiste, iar modelele care numără doar investițiile sunt greșite în cealaltă direcție.

Tabelul de referință al pragului de rentabilitate (ani de amortizare, linie complet automată vs. linie de bază semi-automată)

Tabelul presupune un cost mediu de linie, trei economii de operator și o îmbunătățire realistă a randamentului. Cu 500.000 de celule pe an cu forță de muncă ieftină, automatizarea completă nu plătește-recomandarea sinceră de inginerie este o linie semi-automată. La 2 milioane de celule pe an cu ratele de muncă occidentale, linia complet automată este decizia cu costuri mai mici chiar înainte de a număra efectul de randament.

Cilindrică vs. pungă: profilurile de automatizare diferă

Cele două formate dominante nu se automatizează în același mod.

Celule cilindricesunt problema de automatizare mai ușoară. Cutia oferă un corp rigid, care poate fi prins la fiecare pas. Înfășurarea produce o rolă cilindrică pe care o mandrina de miez o poate ridica fără ambiguitate. Stațiile-înfășurarea, sudarea cu filet, introducerea cutiilor, sudarea capacului, sertizarea-sunt discrete și indexabile. Acesta este motivul pentru care primele linii de asamblare complet automatizate din industrie au fost cilindrice. Olinie de asamblare pilot a bateriei cilindrice complet automatizatăcu manipularea celulelor robotizate și testarea în linie indexează celulele prin fiecare stație la un pas fix, iar rigiditatea formatului menține ratele de eșec de manipulare scăzute.

Celule pungisunt mai grei. Stiva de electrozi este flexibilă, filmul pungii este delicat, iar procesul include etape-degazare, resigilare, formare de file-care acţionează pe o parte moale, instabilă dimensional. Automatizarea ansamblului pungii se bazează pe paleți independenți care transportă fiecare celulă prin linie fără reprinderi repetate și pe efectori de capăt cu vid delicat pentru stivă. Ingineria este mai solicitantă și costul liniei este mai mare pe celulă de ieșire, dar intensitatea forței de muncă a ansamblării manuale a pungii este, de asemenea, mai mare, ceea ce echilibrează ecuația.

Principiul comun în ambele formate: de fiecare dată când o mână umană atinge o celulă, atingerea respectivă este un cost în timpul plasării, un risc de contaminare și o oportunitate de defect. Fiecare atingere îndepărtată de o prindere și un transportor este îndepărtată toate trei simultan.

Ce nu remediază automatizarea

Automatizarea nu este un substitut pentru capacitatea de proces. O linie care alimentează un robot cu role prost înfășurate, file nealiniate sau umplere instabilă cu electrolit va produce pur și simplu rebuturi automate mai repede decât o linie manuală produce altele manuale. Procesele din amonte-calitatea bobinării, poziționarea filelor, precizia umplerii-trebuie să fie deja în control pentru ca investiția în automatizare să fie plătită.

De asemenea, automatizarea nu înseamnă nesupravegheat. O linie complet automată are nevoie în continuare de operatori pentru reaprovizionarea cu materiale, monitorizarea procesului și recuperarea defecțiunilor. Personalul realist este de 2-3 pe tură, nu zero. Timpul de funcționare, nu numărul de angajați, este metrica care determină producția: o linie care rulează 85 % din timp cu trei operatori depășește o linie care rulează 60 % din timp fără nimeni.

Se schimbă și setul de abilități de întreținere. O linie manuală are nevoie de montatori. O linie automatizată are nevoie de tehnicieni în automatizare care înțeleg servomotoarele, sistemele de viziune și logica PLC. Această schimbare a competențelor este un cost real care aparține modelului, de obicei compensat de numărul redus de operatori.

Întrebări frecvente: Economie a ansamblului automat al bateriei

De câți operatori are nevoie o linie de asamblare complet automată a bateriilor?
Două până la trei pe schimb, față de 8–12 pentru o linie semi-automată comparabilă. Personalul rezidual se ocupă de reaprovizionarea cu materiale, monitorizarea procesului și automatizarea-recuperării defecțiunilor nu înseamnă numărul de angajați zero.

Care este perioada realistă de rambursare pentru o linie de asamblare automată?
La 2 milioane de celule pe an, cu costuri medii ale forței de muncă, aproximativ 2,5–3 ani, luând în considerare atât economiile de forță de muncă, cât și îmbunătățirea randamentului. Sub 500.000 de celule pe an, asamblarea semi-automată este de obicei decizia cu costuri mai mici.

Care este cea mai dificilă parte de automatizat în asamblarea bateriei?
Manipularea stivei de electrozi sau a rolului de jeleu fără deteriorare. Părțile moi, acoperite nu pot fi prinse ca și piesele metalice, astfel încât designul efectorului final-mandrinele de miez pentru role cilindrice, suporturile de vid pentru stivele de electrozi-determină fiabilitatea liniei.

Automatizarea îmbunătățește calitatea sau doar reduce forța de muncă?
ambele. Plasarea robotizată este repetabilă până la fracțiuni de milimetru pe parcursul întregului schimb, în ​​timp ce plasarea manuală se deplasează cu oboseala operatorului. Randamentul obișnuit de la prima trecere se mută de la anii 80 la mijlocul anilor 90 pe semi-automat la 96–99 % pe o linie automată controlată.

Sunteți gata să vă modelați propria linie?
Decizia costului muncii este aritmetică; decizia de randament este de inginerie. TOB New Energy, ca producător direct la cheie, furnizează linii de asamblare de celule cilindrice și pungi complet automatizate, proiectate în funcție de formatul celulei, durata ciclului și bugetul de defecțiuni-nu în jurul unui catalog generic de roboți. Trimiteți desenul celulei, volumul anual și rata locală de forță de muncă încărcată pentru a primi un aspect al liniilor stație cu stație, un model de rentabilitate a investiției și o ofertă directă din fabrică de la Xiamen.

Referință tehnică compilată de grupul de inginerie de proces TOB New Energy din instalațiile liniei de asamblare din programele cu celule cilindrice și pungi din întreaga lume. Pentru o rentabilitate a investiției specifice unei linii și o defalcare a stației, conectați-vă cu Dr. Dany Huang pe LinkedIn sau trimiteți parametrii de producție biroului de inginerie din Xiamen.