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Tareas de investigación en manos de robots

El Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno (ZSW) está estudiando opciones de automatización robotizada para fuentes alternativas de energía, utilizando robots KUKA y sistemas de SHL

En el Centro de investigación de Energía Solar e Hidrógeno (ZSW) en Ulm, un robot de KUKA trabaja en la producción de pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC; Proton Exchange Mebrane Fuel Cells) con fines docentes y para investigación. Llevando a cabo las etapas clave del proceso dedicadas a la producción de las unidades de pila de combustible. El robot supone un paso hacia el futuro tomado por el instituto apostando por la automatización en la producción de pilas PEMFC.

¿Podría ser el hidrógeno la fuente de energía del futuro? En la ciudad alemana de Ulm, ésta comienza a ser una cuestión tomada en consideración por el ZSW, ya que tanto el deterioro del medio ambiente como el conocimiento de que el suministro de hidrocarburos (petróleo, gas o carbón) no son ilimitados aumentan la demanda de fuentes alternativas de energía. El ZSW fue creado en 1988 como fundación no lucrativa. Con base en Stuttgart y Ulm, su objetivo es convertir el conocimiento generado por la investigación en tecnologías de aplicación comercializables lo antes posible. Forma parte de una red de universidades, industrias e instituciones que cooperan entre sí tanto en Alemania como en el extranjero. Los principales temas de estudio del instituto son los sistemas fotovoltaicos, baterías y pilas de combustible PEMFC. La investigación en estos momentos se lleva a cabo en la ciudad de ULM. El ZSW, con sus 120 empleados, de los cuales 60 trabajan en Ulm, es uno de los institutos de investigación líder en su campo.

Automatizar reduce costes de producción

Las pilas de combustible de membrana polimérica pueden ser utilizadas para generar energía con hidrógeno. Al contrario que otras fuentes de energía, el hidrógeno tiene la ventaja de ser fácil de producir, y por lo tanto tiene disponibilidad ilimitada. Aunque la pila de combustible fue descubierta en 1839, y se utiliza en una gran variedad de áreas para generar energía, sólo ha sido considerada como alternativa seria a la energía nuclear, solar, eólica o hidráulica en los últimos años.

La pila de combustible sólo ha llegado a ser una opción realmente interesante como fuente de energía durante los últimos años, porque ahora se tienen los materiales necesarios para producirla, explica el físico Johann Einhart en ZSW. Estas materias son carísimas, por lo que resulta necesario producir grandes partidas del producto. Hasta ahora la producción ha sido manual, lo que implica un gran consumo de tiempo y un proceso costoso con un elevado riesgo de cometer errores.

En otras palabras, es necesario buscar opciones de automatización para poder estandardizar procesos de producción más adelante. Aquí es dónde el robot KR 60 AH toma protagonismo. Los robots KUKA, con una calibración absolutamente exacta, destacan por su excelente precisión de posicionado y características de guiado precisas, garantizando que las partes individuales de la pieza se montan exactamente de la manera correcta. Los errores que podrían inutilizar la pieza se previenen desde el principio.

Robots para el aprendizaje

"Utilizando el robot, queremos aprender a automatizar la producción de pilas de combustible", apunta Johann Einhart. La flexibilidad del robot es útil durante este proceso.

Una pila la forman distintos componentes. Varias pilas se combinan para formar una “batería”. La batería se ajusta en ambos extremos con un panel de energía. En el interior de la pila, energía química es transformada en energía eléctrica sin un proceso de combustión. El proceso consiste en dos electrodos, en los que los dos materiales de referencia, hidrógeno y oxígeno, se administran separadamente. Los dos electrodos también contienen un catalizador, que provoca y acelera la reacción química necesaria para generar energía.

La tarea del robot es el montaje de dichos componentes sensibles de manera exacta y precisa. Cualquier error inutilizaría la totalidad del conjunto que forma la batería.

Integrado en un sistema desarrollado por SHL, colaborador de KUKA Systems, el robot KUKA KR 60 AH, con una calibración absolutamente exacta, comienza por recoger un panel bipolar y lo deposita en un retenedor. El panel esta normalmente fabricado de un compuesto de grafito, y el robot encaja un marco de sellado que ha recogido de otra posición.

La garra de doble vacío hace posible que inmediatamente después, y sin ser reemplazada, mantenga cogido un pedazo de papel gas-permeable de grafito, también conocido como la capa de difusión de gas, de un dispositivo denominado "vibrador". Este dispositivo separa los papeles de grafito y los mueve hasta la posición precisa desde dónde pueden ser recogidos por el robot.

Las capas de difusión del gas son muy delgadas, y están separadas entre ellas en el interior del vibrador por otro papel. En esta fase del proceso, es muy importante que dos capas de grafito no sean recogidas por error al mismo tiempo. El papel de separación también debe retirarse antes de que la capa se inserte en la célula. Dicha operación se logra utilizando un dispositivo de succión que está integrado en el sistema, y que ayuda al robot a despegar la hoja de separación.

En una fase posterior, en un procedimiento que es apenas visible al observador, el robot utiliza un láser para verificar si la hoja de separación ha sido realmente despegada, antes de depositar la capa de difusión de gas en el retenedor. Sin embargo, también determina, por medio de la medición de la distancia, si realmente sólo ha recogido una única hoja de papel de grafito. El robot entonces recoge la membrana polimérica de la que la célula de combustible PEM toma su nombre. Lo que asegura que los protones puedan pasar del lado del hidrógeno al lado del oxígeno.

El robot entonces toma otro marco de sellado así como una capa de difusión de gas, en la que ajusta otro panel bipolar y finalmente un marco de sellado. La célula queda de esta forma completada.

La optimización de la velocidad no es (todavía) una prioridad

El robot trabaja con exacta precisión, y mantiene la secuencia de procesos. La mayor ventaja del robot frente a la mano de obra humana es que verifica su propio trabajo durante el proceso y, siempre que sea necesario, reacciona automáticamente frente a los errores. Una batería contiene entre 10 y 80 células, dependiendo de la potencia que se desee generar. El robot tiene un ciclo de aproximadamente dos minutos para producir cada célula. Por lo tanto puede producir 80 células dentro de un proceso de producción, es decir, en menos de tres horas. A un operario le lleva un día entero producir solo 40 células.

"Por el momento la optimización de la velocidad no es una prioridad para nosotros”, enfatiza Johann Einhart. "Nuestra mayor inquietud es averiguar qué etapa del proceso necesitamos en primer lugar, y cómo resolver cada una de las etapas de forma individual.". Por ejemplo, si sería posible integrar la inserción de marcos de sellado en otra etapa del proceso de producción.

En este momento, la principal razón para invertir en el sistema es averiguar cómo una máquina podría llevar a cabo cada tarea individual de una manera segura y rentable en el futuro. La investigación se encamina también hacia el estudio de la modificación del producto para poder producirlo de forma masiva con un proceso sencillo.

El robot antropomórfico KUKA tiene una ventaja clara sobre una unidad de pórtico en este caso, que permite probar diferentes procesos de producción, sin necesidad de realizar grandes medidas de conversión.

KUKA

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