Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Vollmechanisiertes adaptives Wurzelschweißen an Gründungsstrukturen von Windenergieanlagen

Die Offshore-Windenergiegewinnung nimmt in Deutschland derzeit stark zu. Aufgrund der hohen Anzahl möglicher Vollaststunden sind erhebliche Wachstumspotentiale zu erwarten. Um die geplanten Windpark-Projekte realisieren zu können, ist eine deutliche Verbesserung der Produktivität bei der Herstellung der Gründungsstrukturen unabdingbar. Jackets aus Stahlrohrfachwerken weisen ein großes Potential für eine Herstellung aus vorgefertigten Einzelkomponenten auf, sofern die schweißtechnische Herstellung mit einem höheren Grad an Mechanisierung erfolgt. Dies ist notwendig, weil die hohe Anzahl an Schweißnähten in Zwangslagen eine Automatisierung stark erschwert. Hierbei ist insbesondere die Wurzelschweißung in wechselnden Positionen ein begrenzender Faktor.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein Konzept zum adaptiven vollmechanisierten Wurzelschweißen zu entwickeln, mit dem Jacket-Gründungsstrukturen mit dem MSG-Schweißverfahren wirtschaftlich gefertigt werden können. Hierzu ist die Kombination aus einer Online-Sensorik, Prozessanalyse und Entwicklung von Regelkriterien für das Wurzelschweißen notwendig. Der Lösungsansatz hierzu ist die Integration optischer Sensorik zur Fugenerkennung und Erfassung der Schweißnahtgeometrie, sowie die Entwicklung eines multivariaten Ersatzmodells des Schweißprozesses. Mithilfe dieser Prozessadaptionsstrategie ist es Schweißanlagenherstellern möglich, den geeigneten Schweißprozess für die jeweiligen Randbedingungen online auszuwählen und so Schweißnahtfehler zu vermeiden. Bislang ist eine solche Lösung nicht verfügbar und hemmt insbesondere KMU darin, Schweißprozessautomatisierung vorzunehmen und anzuwenden, da Entwicklungsarbeiten aufgrund des benötigten Personaleinsatzes nur schwer erbracht werden können. Durch das Forschungsvorhaben ist es möglich Jacket-Strukturen in Teilstrukturen zu segmentieren, durch die bei der Fertigung eine Aufteilung auf mehrere spezialisierte Unterauftragnehmer möglich wird.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Projekt sollte zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Fertigung von Gründungsstrukturen für die Offshore-Windenergie ein adaptives Schweißsystem zur Herstellung der Wurzellage entwickelt werden. Dies wurde anhand eines Laborsystems mithilfe eines Schweißroboters und einer konventionellen Schweißstromquelle für das automatisierte Schweißen vorgenommen. Über einen Prozesssteuerrechner wurden die Sensorsysteme (Lasertriangulationssensor und Prozesskamera) eingebunden. Über ein Qualitätsmodell konnte die Schweißaufgabe erfolgreich adaptiv gelöst und anhand eines skalierten Modellrohrknotens demonstriert werden. Eine automatisierte Wurzelschweißung an Rohrknoten aus Baustählen ist mit einer adaptiven Schweißprozessführung möglich.

Neben der Nutzung der Lasertriangulation kann auch die zusätzliche Verwendung einer Prozesskamera zu einer Verbesserung der Sensordatenqualität beitragen. Insbesondere konnte damit eine verbesserte Erkennung von Heftstellen erfolgen. Für die Schweißung in Wannenlage (Rohrknoten wird gedreht) konnten Ergebnisse guter Qualität erzielt werden. Auch in Fällen, in denen eine Kompensation der Randbedingungen im Spalt nicht möglich ist, kann mit dem System eine Identifizierung kritischer Positionen erfolgen, die einer anschließenden zerstörungsfreien Prüfung unterzogen werden. Hierdurch ist eine Verringerung des Prüfaufwandes zu erwarten.

Das entwickelte Modellsystem stellt lediglich eine Laborumsetzung dar. Für Anbieter von automatisierten Schweißsystemen ist der Implementierungsaufwand überschaubar, da die Systemkomponenten bereits genutzt werden. Der Aufwand besteht vielmehr in der softwaretechnischen Implementierung, sowie in der Gewinnung einer applikationsspezifischen Datenbasis. Die Projektergebnisse können solche Systemanbieter (überwiegend KMU) in die Lage versetzten, ein applikationsspezifisches adaptives System zu entwickeln.