Dosiersysteme für das Kleben von Rotorblättern

Der Anteil der Windenergie am globalen Energiemix wird in den kommenden Jahrzehnten kontinuierlich steigen. Ziel ist es, dass Windkraftanlagen Energie zu einem Preis liefern, der unter dem von fossilen Brennstoffen liegt. Die Hersteller von Rotorblättern sowie von Dosier- und Mischsystemen für Klebstoffe müssen sich daher in Zukunft einer Reihe von Herausforderungen stellen.

Bei der Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen geht es darum, die Produktionszeit zu verkürzen und die Herstellungskosten zu optimieren. Gleichzeitig erwarten die Betreiber eine Garantie von mehr als 20 Jahren auf die Blätter. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, dass die unterschiedlichen Disziplinen ihr Know-how bündeln und effektiv zusammenarbeiten. Insbesondere das Dosieren, Mischen und Auftragen von Klebstoffen spielt dabei eine wichtige Rolle (Bild 1).

Steigende Klebstoffmengen

Bei Rotorblattlängen von mehr als 100 m werden für das Verkleben der beiden Hälften bis zu 1200 kg Klebstoff benötigt – mit klarer Tendenz zu weiteren Steigerungen von Länge und Klebstoffmenge. Die nutzbare Verarbeitungszeit des Klebstoffs beträgt in der Regel 45 min bei 25 °C. Unabhängig von der Blattgröße muss der Prozess innerhalb dieser Zeit abgeschlossen sein. Die Mengenmessung erfolgt mit hochauflösenden Volumenmesszellen in einer Closed-Loop-Regelung für jede der Klebstoffkomponenten. Zusätzlich können Sensoren integriert werden, die die Anwendungstemperatur innerhalb der vorgegebenen Toleranz kontrollieren.

Bei kleineren Abschnitten der Rotorblätter gegen Ende der Applikation beschleunigt ein schnellhärtender Klebstoff den Prozess. Bei größeren Teilen wie der Hauptform (Bild 2) stellt dagegen ein langsam aushärtender Klebstoff einen sorgfältigen und umfassenden Klebevorgang sicher.

Diese Flexibilität bei der Auswahl des Klebstoffs verbessert nicht nur die Gesamteffizienz des Klebeprozesses, sondern erweitert auch die Möglichkeiten, um die Verfahren individuell anzupassen. Der Anwender wird dadurch den unterschiedlichen Anforderungen an die verschiedenen Bestandteile der Rotorblätter gerecht.

Die Prozesse beschleunigen

Die Beschleunigung des Klebeprozesses stellt aufgrund der Materialeigenschaften eine große Herausforderung dar. Die Aushärtung von Materialien läuft kontinuierlich ab und eine zuverlässige Haftung hängt mit der „offenen Zeit“ des gemischten Klebstoffs zusammen – einem entscheidenden Aspekt seiner „Topfzeit“. Wie bereits erwähnt, muss der Auftragszyklus innerhalb von 45 min abgeschlossen sein, unabhängig von der Blattgröße. Die zunehmende Länge der Rotorblätter erfordert eine allgemeine Beschleunigung des Klebeprozesses.

Neueste Entwicklungen bei Hochleistungs-Dosierpumpen in Verbindung mit präzisen Prozesseinstellungen ermöglichen die Dosierung von Klebstoff mit einer Geschwindigkeit von über 30 kg/min. Darüber hinaus sind Anlagen mit variablen Durchflussraten und zusätzlichen Materialpuffern erhältlich, die ein Nachfüllen während des Prozesses überflüssig machen. Diese Technologie gestattet, Klebstoff innerhalb des vorgesehenen Zeitfensters zu dosieren, zu mischen und aufzutragen.

Auftrag mit unterschiedlichen Profilen

Der Klebstoffauftrag über die Blattlänge erfordert unterschiedliche Klebstoffraupen-Profile: an der Hauptform, an der Leading Edge und an der Trailing Edge. Um den Auftrag an die unterschiedlichen Erfordernisse des Klebespaltes anzupassen, muss die Düse mehrfach gewechselt werden – bis zu neun Mal pro Rotorblatt. Dies ist ein enormer Zeit- und Arbeitsaufwand, der einen erheblichen Teil des Klebeprozesses in Anspruch nimmt und einer weiteren Steigerung der Blattgrößen entgegensteht. Darüber hinaus müssen die Verbindungsstellen teilweise manuell nachbearbeitet werden (Form, Lufteinschlüsse etc.), was natürlich im Gesamtprozess ebenfalls einen nicht unerheblichen Mehraufwand bedeutet.

Das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES hat hierfür eine variable Klebstoffauftrags-Düse entwickelt, die in einem Arbeitsschritt unterschiedliche Klebstoffprofile aufbringt. Die Düse kann automatisch das Profil der Klebstoffraupe ändern, die auf die verschiedenen Rotorblattabschnitte aufgetragen wird. Dadurch reduziert sich der Zeitaufwand deutlich. Mithilfe von Sensoren lässt sich dieser Prozess teil- oder vollautomatisieren und der Anwender kann die Menge des verbrauchten Materials von Beginn des Klebevorgangs an präzise messen (Bild 4 und 5).

Diese technische Weiterentwicklung ermöglicht es, dass pro Sektion nur die festgelegte Menge an Klebstoff mit dem richtigen Profil aufgetragen wird. Das gewährleistet eine maximale Qualität und minimiert den Abfall. Gleichzeitig reduziert sich das Gewicht bei den auf diese Weise geklebten Rotorblättern. Dopag integriert die variable Klebstoffauftrags-Düse in das Dosier- und Mischsystem Gluemix (Bild 3).

Konstantes Mischungsverhältnis

Die Hersteller gewähren auf Rotorblätter eine Garantie von mehr als 20 Jahren. Ein wichtiger Faktor, um dieses Produktversprechen einzuhalten, ist die dauerhafte Verbindung der beiden Blatthälften. Sie kann nur gewährleistet werden, wenn unter anderem das vorgegebene Mischungsverhältnis der Materialkomponenten beim Auftragen des Klebstoffs konsequent eingehalten wird. Der in der Windindustrie primär verwendete Klebstoff ist ein Zweikomponenten-Epoxidharz. Die Toleranz für das Mischungsverhältnis ist sehr streng: Es muss sich in der Bandbreite von ±2 Teilen Härter auf 100 Teile Harz bewegen. Das konstante Mischungsverhältnis wird durch hochpräzise Volumenmesszellen sichergestellt, mit denen die Dosierpumpen für jede Komponente unabhängig voneinander in einer Closed-Loop-Regelung gesteuert und betrieben werden.

Dopag verwendet Durchflussmesszellen, die sicherstellen, dass der Druckabfall über den Volumenzähler im Vergleich zu anderen erhältlichen Lösungen minimal ist. Diese Funktionalität ermöglicht, die Mischungsverhältnisse lückenlos zu überprüfen und zu steuern. Darüber hinaus sind die Systeme mit einem automatischen Vorkalibrierungsmechanismus ausgestattet, der durch Wägesysteme unterstützt wird. Dies erhöht zusätzlich die Prozesssicherheit, weil sich präzise und konstante Verhältnisse aufrechterhalten lassen. Diese Technologien hat Dopag in das Gluemix-System integriert.

Online-Überwachung und vorausschauende Wartung

Durch die kontinuierliche Konvergenz von Systemen und Prozessen werden die verschiedenen Elemente der Produktionskette miteinander verbunden. Dieser fortlaufende Prozess (Industrie 4.0) umfasst die Integration von Datenanalysen und intelligenten Technologien, um eine effizientere und zuverlässigere Produktionsumgebung zu schaffen. Auch im Dosier- und Mischprozess von Klebstoffen für Rotorblätter ermöglicht die zunehmende Konnektivität eine nahtlose Kommunikation zwischen den Systemen. Das steigert die Effizienz und ermöglicht, in Echtzeit auf Veränderungen zu reagieren.

Der Lifecycle-Logger (LCL) von Dopag gestattet, das System online zu überwachen und vorausschauend zu warten, was einen bedeutenden Fortschritt im Klebeprozess darstellt: In der Vergangenheit waren zuverlässige Auswertungen historischer Betriebsdaten und Rückschlüsse auf Wartungsintervalle und Bauteillebensdauer kaum möglich. Mit dem neuen Modul haben Anlagenbetreiber und Servicepersonal nun einen detaillierten Einblick in alle Prozessparameter und Nutzungsprofile von Dosierkomponenten. Dazu gehören Materialmengen und -drücke, Temperatur- und Beschleunigungsdaten, Prüfstandergebnisse zur Effizienz sowie weitere Betriebsdaten. Die Anwender können sofort auf Unregelmäßigkeiten reagieren und so höchste Prozesssicherheit gewährleisten. Auch für die vorausschauende Wartung ergeben sich daraus erhebliche Vorteile: Durch den Vergleich der Daten können die Betreiber mögliche kritische Verschleißzustände oder langsam beginnende Störungen frühzeitig erkennen.

Im Rahmen der Gesamtanlageneffektivität (OEE) (Bild 6) kann der Verantwortliche alle Kennzahlen zu Verfügbarkeit, Leistung und Qualität genau dokumentieren. Die OEE ist ein weltweit anerkannter Standard für die Bewertung der Produktivität von Industrieanlagen und von großer Bedeutung, um die betriebliche Effizienz zu verbessern. Die vom Lifecycle-Logger gelieferten Daten dienen als Basis für die strategische Planung und Überwachung der Echtzeitproduktivität von Dosieranlagen und fügen sich somit nahtlos in moderne Lean-Management-Prinzipien ein.