煙感知器であれ、ギターペダルであれ、ポータブル電動工具であれ、9V 電池を手にしたことがあるなら、原料をコンパクトで信頼性の高い電源に変えるためのすべての手順について立ち止まって考えたことはないでしょう。 9V バッテリー組立ラインのサプライヤーとして、私はこれらのラインのマテリアルハンドリングシステムが単なるサポートコンポーネントではないことを直接見ることができました。これらは一貫した大量生産の根幹です。 9V バッテリーのユニークな設計 (2 つの垂直 4.5V セルを並べて、金属端子付きの PVC ジャケットで包まれています) は、その組み立てに、正確かつ迅速で、性能を低下させたり故障につながる可能性のある小さな欠陥を回避するように調整されたマテリアルハンドリングが必要であることを意味します。今日は、一般的な 9V バッテリー組立ラインにおける主要なマテリアル ハンドリング システムについて詳しく説明し、それぞれがなぜ重要なのか、そして適切なセットアップの選択がバッテリー メーカーの効率にどのように影響するのかを説明したいと思います。
最も基本的だが重要な段階である、入荷資材の取り扱いから始めましょう。組み立てを開始する前に、すべての個々のコンポーネントを損傷することなくラインに運ぶ必要があります。 9V バッテリーの場合、コアコンポーネントは小さく繊細で、多くの場合汚染に敏感です。アノード箔とカソード箔、電解液、セパレーターシート、金属端子、PVC ジャケット、および 2 つのセルを分離するプラスチックスペーサーです。堅実な搬入資材処理システムがなければ、たとえ最高品質の原材料であっても、生産現場に届く前にダメになってしまう可能性があります。
メーカーとの仕事の中で、主に 2 つのインバウンド処理設定がうまく機能していることがわかりました。まず、大きなロールで提供されるフォイルとセパレーターの場合、張力制御機能を備えた自動ロールアンコイラーは交渉の余地がありません。フォイル ロールに過度の張力がかかると、フォイル ロールが伸びたり、裂けたり、微細なしわが発生したりして、電荷を保持する能力が低下する可能性があります。張力が弱すぎると材料にしわが寄り、セルの巻き取りや積み重ね時に位置ずれが発生します。最新のラインのほとんどは、張力をリアルタイムで調整する電動アンコイラーと、ロールを送り込むときにロールを中心に保つガイド付きローラーを組み合わせて使用しています。生産を遅らせたりエラーを引き起こしたりする手動調整はもう必要ありません。端子やスペーサーなどの小さな部品には、振動フィーダーが最適です。これらは部品をバルク ビンから 1 列のラインにゆっくりと移動し、正しい向きに整えて次のステップに備えることができます。不良な振動フィーダーは、詰まり、小型端子の損傷、または部品の位置ずれを引き起こす可能性があるため、ラインの生産速度に合わせて振幅と可変速度を調整できるフィーダーを常に指定しています。
次に、セルの組み立て段階に移ります。セルは 9V バッテリーの心臓部であるため、材料の取り扱いがさらに正確になります。ほとんどの 9V バッテリーは、メーカーに応じて、巻かれた円筒形セルまたは角形セルのいずれかを使用しており、どちらも活物質への損傷を防ぐための取り扱いが必要です。巻回型セルの場合、フォイル、セパレーター、コアを巻いた後、マテリアル ハンドリング システムは完成したセル コアを衝突させることなく電解液充填ステーションに移送する必要があります。そこで登場するのが、ピックアンドプレイスロボットアームです。古い工場で見られるような不格好なものではなく、カメラを使って各細胞を識別し、柔らかい非導電性グリッパーで掴んで、数分の1ミリメートル以内で正確に配置する視覚誘導ロボットです。平らで箱状の角形セルの場合、後で腐食につながる可能性のある跡がセル表面に残らないように設計されている限り、真空吸盤がうまく機能します。
セルの取り扱いにおける最大の課題の 1 つは、電解液です。電解液は可燃性で腐食性の液体であり、こぼれると機器を破損する可能性があります。したがって、ここでのマテリアルハンドリングには、密閉された閉ループ搬送システムも含まれます。手動で電解液を注ぐ代わりに、漏れがあった場合に流れを遮断するセンサーを備えた自動ポンプが、正確な量（マイクロリットル以内で測定）を貯蔵タンクから各セルに移送します。これにより、作業者の安全が確保されるだけでなく、材料の無駄も削減されます。これは、特に電解質が特殊な化学物質である場合、どのメーカーも関心を持っていることです。
セルが電解質で満たされると、化学反応を活性化するために短時間充電および放電される形成段階を経ます。形成後、セルは次の段階に移動する必要があります。つまり、セルを 9V のデュアルセル構成に結合することになります。ここが多くのラインの違いの始まりであり、適切なマテリアルハンドリングシステムが速度と一貫性に大きな違いを生む可能性がある場所です。標準的な生産速度の場合、ほとんどの 9V 電池組立ラインでは、インデックス付きステーションを備えたコンベヤー システムが使用されます。つまり、コンベヤーは一度に 1 つのセル ペアを各プロセス ステップに移動します。しかし、規模拡大を目指すメーカーの場合、高速組立ラインでは従来のベルトの代わりにリニアモーターを使用することで、振動を軽減し、ステーション間の搬送を高速化できる可能性があります。文脈としては、標準ラインでは 1 時間あたり約 1,000 個の 9V バッテリーが生産されますが、高速ラインでは 3,000 個以上に達する可能性があり、マテリアル ハンドリングがその急増の理由です。これらのセットアップの詳細については、当社の製品ライン「9v バッテリー組立ライン」および「9v バッテリー高速組立ライン」をご覧ください。
2 つのセルを結合することも、マテリアルハンドリングのもう 1 つの重要なステップです。各セルにはプラスとマイナスの端子があるため、正しい電気接続を確保するために完全に位置を合わせて溶接する必要があります (通常は 9V の製品で一般的なスポット溶接を使用します)。ここでのマテリアル ハンドリング システムは、溶接部に圧力がかかりすぎると、セルが破裂する可能性があるため、両方のセルをしっかりと保持する必要があります。少なすぎると溶接が弱く、抵抗が高くなります。ここでは、セルコアの正確なサイズに合わせて機械加工されたカスタム設計の治具と、一定の圧力を加えるバネ式ホルダーを使用しています。治具にはインデックスも付けられているため、セルペアを溶接から次のステーションに移動させることなく移動させ、端子を取り付けるときに必要な位置に正確に整列するようにします。これで、端末の組み立て段階に入ります。
9V バッテリーの金属端子は顧客との最初の接触点であるため、その配置と接続は完璧である必要があります。ほとんどの 9V バッテリーには、バネ仕掛けのプラス端子と平らなマイナス端子があり、どちらも腐食に強い真鍮または鋼でできています。ここでの端子のマテリアルハンドリングには 2 つの部分が含まれます。1 つは端子を所定の位置に供給することで、2 つ目は組み立てられたセルのペアを端子圧着ステーションまたは溶接ステーションに移動することです。このため、当社は多くの場合、摩擦を軽減し経路を真っ直ぐに保つトラックローラーを使用して、セルペアを結合ステーションから端子配置まで直接移動させるリニアトランスファーシステムを使用します。端子は、ピックアンドプレースロボットまたは自動圧着ツールによって配置され、一定の力で端子を所定の位置に押し込みます。接続の緩みやバッテリーの故障につながる不均一な圧着がなくなりました。
端子が取り付けられたら、次のステップはバッテリーを密閉し、PVC ジャケットに入れることです。 PVC ジャケットは薄いため、乱暴に扱うと破れてしまう可能性があるため、素材の取り扱いには注意が必要です。ほとんどのラインはここで真空搬送を使用し、組み立てられた電池をターミナルステーションからジャケット装填ステーションに移動し、そこでジャケットが電池の上にかぶせられます。通常、ジャケットはプレカットされた PVC スリーブのスタックから供給されるため、シート フィーダーまたは振動フィーダーがジャケットを所定の位置に移動し、ロボット アームがジャケットを引き裂かずにバッテリー上を滑らせるのに十分なだけ引き伸ばします。ジャケットが所定の位置に取り付けられた後、バッテリーはヒート シール ステーションを通過し、そこで PVC の端が圧着され、内部コンポーネントを保護するためにシールされます。ここでのマテリアルハンドリングでは、PVC がまだ暖かくて柔軟であるため、密封されたバッテリーをヒートステーションから素早く移動する必要があります。長時間放置すると変形する可能性があります。
最後に、テスト、梱包、パレット積みなど、完成したバッテリーの取り扱い段階に入ります。テストは重要な品質管理ステップです。各 9V バッテリーの電圧、抵抗、漏れがチェックされ、欠陥のあるユニットが選り分けられます。ここでのマテリアルハンドリングでは、センサーと連動する仕分けシステムが使用されています。バッテリーがテストに不合格になった場合、空気圧アームがバッテリーをメインコンベアから不合格箱に押し出し、良品のバッテリーは梱包に移されます。梱包には、ほとんどのラインで段ボール箱を折りたたんでその中にバッテリーを個別または複数パックに入れるカスタムカートナーが使用されています。大量生産の場合は、自動パレタイジング ロボットが完成した箱をパレットに積み上げ、ストレッチ フィルムで包み、出荷用に固定します。この最終工程でのマテリアルハンドリングは、人件費を削減し、完成したバッテリーが一貫して扱われるようになり、保管や輸送中の損傷のリスクが軽減されるため、重要です。
しかし、多くの新しい電池メーカーが気づいていないのは、マテリアル ハンドリング システムは単なる機械のセットではなく、組立ライン全体と統合されているということです。たとえば、ラインが高速向けに設計されている場合、マテリアル ハンドリングは他のすべてのステーションと同期する必要があるため、遅いコンベアや位置がずれているピック アンド プレース ロボットがプロセス全体のボトルネックになる可能性があります。だからこそ、私たちは 9V バッテリー組立ラインを設計する際、個々のコンポーネントを販売するだけではありません。メーカーと協力して、入荷する材料から完成したパレットに至るまでのあらゆるステップを計画し、マテリアルハンドリングが製造目標に合わせて調整されていることを確認します。創業したばかりの小規模な製造業者であっても、生産を拡大する大規模な施設であっても、適切なマテリアル ハンドリングにより欠陥を減らし、ダウンタイムを削減し、全体的な生産量を増やすことができます。
組立ラインのアップグレードや新しい生産施設の設置を検討している電池メーカーにとって、マテリアル ハンドリング システムは最も重要な投資の 1 つです。不適切に設計されたマテリアル ハンドリング システムは、不良率の増加、ダウンタイムの増加、人件費の増加につながる可能性がありますが、適切に設計されたマテリアル ハンドリング システムは、安定した高品質の 9 V バッテリーを大規模に生産するのに役立ちます。標準ラインまたは高速ラインのオプションなど、特定の生産ニーズについてご相談になりたい場合は、いつでもお手伝いいたします。
参考文献:
- 電池製造協会。 （2022年）。小型および大型バッテリーアセンブリのマテリアルハンドリングのベストプラクティス。業界の技術ガイドラインから取得。
- 国際電気標準会議 (IEC)。 （2021年）。規格 60086: 一次電池 – パート 1: 一般。バッテリーの組み立てと取り扱いに関する技術仕様。
- グローバルバッテリーアライアンス。 （2023年）。電池生産における持続可能なマテリアルハンドリング: 廃棄物の削減と安全性の確保。業界レポート。