Entwicklung einer Anlage zur automatisierten Flanschbearbeitung von Rotorblättern für Windkraftanlagen (HSMRotal)

Problemstellung
Im Rahmen der Nutzung regenerativer Energiequellen hat die Windenergie eine große Zukunft. Die Weiterentwicklung der vergangenen Jahre führten zu hochleistungsfähigen Anlagen im Megawattbereich. Die heute üblichen Windkraftanlagen haben einen Rotordurchmesser von 40-90 Metern, für den Offshore-Bereich sind Anlagen mit einem Rotordurchmesser von über 140 Metern geplant. Die immer größer werdenden Rotorblätter und der steigende Kostendruck bei den Rotorblattherstellern stellen ständig höhere Anforderungen an die Produktionsanlagen bzgl. Leistungsfähigkeit und Automatisierungsgrad. Rotorblätter sind durch ihr Eigengewicht und die auf sie wirkenden Windkräfte enormen Belastungen ausgesetzt. Besonders groß ist die Belastung an der Verbindung zwischen Rotorblatt und Rotornabe. Um einen zuverlässigen und effektiven Betrieb sicher zu stellen, ist eine präzise und einwandfreie Befestigung der Rotorblätter an die Rotornabe äußerst wichtig. Hierzu müssen die Flansche sorgfältig bearbeitet und die Montagebohrungen passgenau angebracht werden. Die heutigen Flanschbearbeitungsanlagen erfordern eine sehr aufwendige und zeitintensive Ausrichtung des Rotorblattes an die Maschine. Diese Ausrichtung eines einzelnen Rotorblattes kann mehr als 120 Minuten in Anspruch nehmen. Die meisten der heute eingesetzten Maschinen sind zudem auf die Bearbeitung bestimmter Flanschdurchmesser begrenzt, meistens kann mit einer Maschine nur genau ein bestimmter Flanschdurchmesser bearbeitet werden. Qualitätskontrollen, wie z.B. die Prüfung der Planheit der Flanschoberfläche oder eine Prüfung der Winkelgenauigkeit der Montagebohrungen finden nur sporadisch und weitgehend visuell bzw. manuell statt. Unebene Flansche und schlecht ausgeführte Montagebohrungen führen jedoch dazu, dass das Blatt nicht passgenau an die Nabe angeschlossen werden kann und entsprechend nachbearbeitet werden muss. Aufgrund der sehr engen Zeitplanung bei der Montage der Windkraftanlagen ist eine nachträgliche Bearbeitung der Flanschoberfläche oder der Montagelöcher am Installationsort der Windkraftanlage mit erheblichen Zusatzkosten verbunden.

Projektziel
Ziel des Projektes HSMRotal ist die Entwicklung einer innovativen, verfahrbaren Anlage, die eine sehr präzise, schnelle und flexible Bearbeitung der Flansche von insbesondere großen Rotorblättern für Windenergieanlagen ermöglicht. Mit der neuen Anlage sollen die Bearbeitungszeit der Rotorblattflansche deutlich verkürzt und schwere manuelle Arbeiten weitestgehend beseitigt werden. Erreicht werden soll dies durch eine automatische Ausrichtung der Anlage nach der Lage des Rotorblattes im Raum, einer anschließenden schnellen und hochpräzisen Bearbeitung der Flanschfläche und Ausführung der Montagebohrungen. Die Lageerkennung des Rotorblattes wird über die Verwendung eines berührungslosen optischen Messsystems erfolgen. Das Messsystem wird hierfür den 30 bis 40 Tonnen schweren Flansch abtasten und ein 3D-Modell entwickeln, das für die Anbringung der Bohrungen genutzt werden kann. In einem nächsten Schritt wird der Flansch bearbeitet und die Montagebohrungen durchgeführt.

Vorgehensweise
Insgesamt drei Partner mit unterschiedlichen Kompetenzen arbeiten im Verbund zusammen und entwickeln die einzelnen Anlagenkomponenten. Die Arbeiten gliedern sich in zwei große, parallel laufende Arbeitskomplexe:
1. Entwicklung der mechanischen und elektrischen Komponenten der Anlage, inkl. Maschinensteuerung
2. Entwicklung eines berührungslosen 3D-Messsystems und von Algorithmen für die 3D-Analyse der Oberflächen.
Die EEW-PROTEC GmbH wird sich mit der Entwicklung und Erprobung von mechanischen und elektrischen Komponenten der Anlage beschäftigen, die GFaI wird eine Messeinrichtung für die berührungslose, räumliche Erfassung von Objekten mit unkooperativen Oberflächen entwickeln. Das FuE-Zentrum der FH-Kiel wird in einem Unterauftrag FEM- und Modal-Analysen durchführen.
Innerhalb des Projektes wird eine enge Zusammenarbeit mit Rotorblattherstellern und Ingenieurbüros aus den Bereichen Rotorblattentwicklung und Produktionslinienplanung stattfinden.

Anwendungspotenzial und Ergebnisse
Die weltweit installierten Windenergiekapazitäten sind in den letzen 15 Jahren stetig gestiegen und werden laut Analystenerwartungen auch in den kommenden Jahren weiterhin stark ansteigen. EWEA (European Wind Energy Association) geht für den Zeitraum 2011-2020 von Investitionen in Windenergie in Höhe von 120 Mrd. EUR und 188 Mrd. EUR für den Zeitraum 2021-2030 aus. GWEC (Global Wind Energy Council) prognostiziert für die kommenden drei Jahre einen kontinuierlichen Anstieg der installierten Windenergiekapazitäten in allen Regionen der Welt.
Der deutsche Markt für Rotorblätter von Windenergieanlagen wird auf 3.500 bis 3.900 Blätter pro Jahr geschätzt (DEWI, EWEA). Die Prognosen für die Rotorblattproduktion in Europa (ohne Deutschland) bis 2020 liegen bei ca. 22.000 Blätter pro Jahr. In der Rotorblattproduktion hat die Suche nach innovativen, effizienten Automatisierungskonzepten nach dem Einstieg größerer Investoren gerade erst begonnen.
Die stetige Steigerung der Leistung von Windenergieanlagen und dementsprechend auch der Größe der Rotorblätter stellen immer höhere Anforderungen an den Herstellungsprozess: Reduktion der Produktionskosten, steigende Qualitätsanforderungen, Haltbarkeit und Reproduzierbarkeit der Qualität, höhere Anforderungen an Materialien (leicht und steif) und das Blattdesign sowie Wirtschaftlichkeit der Automatisierungskonzepte.
Das Entwicklungskonsortium versucht diese Anforderungen im neuen Anlagenkonzept HSMROTAL weitgehend umzusetzen und erhofft sich dadurch zukünftig im Bereich des Finishings von Rotorblättern den Industriestandard zusetzten.

• EEW-Protec GmbH
• Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V.