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Glatt am Wind

Glatt am Wind

Branche

Oberflächenbearbeitung - Die Flügel für Windkraftanlagen benötigen eine besonders glatte Oberfläche. Der Einsatz von Robotern für die Schleifarbeiten steigert die Effizienz und verbessert zudem die Arbeitsbedingungen.

25. Mai 2009

Einen ständig wachsenden Anteil an den Energiequellen hat der Wind, und weltweit wachsen immer mehr Windkraftanlagen aus dem Boden. Dabei nehmen sie dabei zugleich immer gigantischere Ausmaße an. So besitzen die größten Anlagen mittlerweile Flügel mit einer Länge von 80 Metern. Die Herstellung solcher Riesen wird deshalb immer aufwendiger, zudem sind neue Produktions- und Veredelungsmethoden gefragt. So gilt es zum Beispiel, die Oberfläche der Flügel besonders glatt zu schleifen, um den Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten und so die Energie noch effizienter zu produzieren.

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Das Schleifen von Oberflächen aus glasfaserverstärktem Kunststoff gehört wohl in keinem Betrieb zu den Lieblingstätigkeiten des Personals. Gerade bei größeren Einheiten wie dem Rumpf einer Yacht ist in mehreren Schritten Handarbeit angesagt. Diese Technik kommt auch bei der Bearbeitung von Flügeln für Windkraftanlagen zum Einsatz: Sie werden grundiert, abgeschliffen, mit einer Art Klarlack beschichtet und anschließend poliert – eben mit dem Ziel, durch eine möglichst glatte Oberfläche dem Wind so wenig Widerstand wie möglich zu bieten.

Dieses hohe Maß an Handarbeit hat den Automatisierungsdienstleister GDC Consulting aus Gütersloh veranlasst, darüber nachzudenken, wie sich der Schleifprozess automatisieren lässt. Auf der vergangenen Hannover Messe zeigte das Unternehmen mit einer Machbarkeitsstudie deshalb, wie dies mit Robotern geschehen kann. Dabei konnten die Besucher Prinzip und Ergebnis an einem verkleinerten Flügelabschnitt beobachten.

Zwei Roboter genügen

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Basis der Zelle sind zwei serienmäßige Roboter des Typs KR210 von Kuka mit 180 Kilogramm Traglast und rund drei Metern Reichweite, die auf beiden Seiten des Flügels arbeiten. Um in der Praxis den erforderlichen Arbeitsbereich zu schaffen, sollten die Roboter auf Verfahrachsen montiert sein. Der Flügel dreht sich während der Bearbeitung um seine Längsachse, sodass sich die Roboter in einer möglichst günstigen Position befinden, um den beim Schleifen erforderlichen Druck auf dasWerkzeugausübenzukönnen.

Neu sind die sensorische Ausstattung der Roboter und speziell entwickelte Werkzeuge. Für die Bearbeitung sind druckluftbetriebene Schleifwerkzeuge in der Entwicklung. Denkbar sind in einem späteren Entwicklungsschritt auch Schleifscheiben mit Durchmessern von 300 bis 500 Millimetern. Manuelle Werkzeuge, wie sie derzeit in Gebrauch sind, haben Scheibendurchmesser von 80 bis 120 Millimetern.

Anhand der CAD-Daten des Flügels erstellt das Steuerungssystem ein Bewegungsprofil des Roboters und generiert entsprechende Bahnen. Ohne weitere sensorische Unterstützung würde ein Roboter jedoch konsequent seine Bahn fahren, ohne auf spezifische Eigenheiten des Werkstückes zu achten, erzählt Gunnar Drenkelfort, bei GDC verantwortlich für Vertrieb und technische Koordination, und weiß: »Wir müssen dem Roboter das Sehen und Fühlen beibringen, und das möglichst in Echtzeit.«

Sensor sichert Position

Für die Ausstattung der Roboter soll deshalb ein Abstandssensor mit einem Kraft-Momenten-Sensor gekoppelt werden. Damit lässt sich zum einen die praktische Lage der Werkstückoberfläche zur Position des TCP exakt bestimmen, zum anderen reagiert der Roboter mit seinem Werkzeug auf Stellen, die mehr oder weniger zu bearbeiten sind, wie Unebenheiten oder Grate. Grundgedanke ist, Toleranzen zu kompensieren und eine möglichst gleichmäßige Oberfläche zu erzielen.

Zweifache Erleichterung

Die Bearbeitung mit Robotern kann zweierlei Einsparungseffekte erzielen: Eines der klassischen Argumente für den Einsatz von Robotern ist die Humanisierung von Arbeitsplätzen. Gerade wenn es um Schleifarbeiten geht, muss der Betreiber manuelle Arbeitsplätze aufwendig ausstatten und absichern. Bei einer Automatisierung entfällt dies. Zudem rechnet sich der Robotereinsatz über die Schnelligkeit beziehungsweise Effizienz, wenn mit deutlich größeren Schleifscheiben mehr Fläche pro Zeiteinheit geschliffen werden kann. Zudem begrenzen im manuellen Einsatz die auftretenden Kräften die Größe der Schleifscheiben und Werkzeuge. Ein Industrieroboter dagegen ermüdet auch beim achtstündigen Einsatz einer 300-Millimeter-Schleifscheibe nicht.

Hohes Sparpotenzial

Eine Strahlkabine ergänzt die Studie einer automatisierten Fertigung von Flügeln für Windkraftanlagen. Gunnar Drenkelfort zieht zur Berechnung der Amortisierung durchschnittliche Bearbeitungszeiten aus der Praxis für einen 50 bis 60 Meter langen Flügel heran: »Grob geschätzt sind alleine mit Schleifaufgaben fünf bis acht Mitarbeiter eine Woche lang beschäftigt, mithin ab 200 Mannstunden pro Flügel.«

Dass GDC zusammen mit Partnerunternehmen in der Lage ist, Anlagen in einer solchen Größenordnung zu realisieren, zeigt das Beispiel einer automatisierten Bearbeitung von Lagerringen bis derzeit zehn Meter Innendurchmesser für die auf Windkraftanlagen spezialisierte Acolus-Gruppe, bei der GDC Consulting einer der Konsortiumspartner ist.

Daten, Zahlen, Fakten

GDC Consulting in Gütersloh ist ein Beratungs- und Ingenieursdienstleistungsunternehmen, das sich speziell im Bereich der Roboterautomation etabliert hat. Das Portfolio des Unternehmens umfasst unter anderem die Planung, Konstruktion, Beschaffung und Montage kompletter robotergestützter Produktionsanlagen.

Erschienen in Ausgabe: 03/2009