Kühlung von Laserschweißrobotern

In der neuen Produktionshalle bei Läpple werden zukünftig Karosserieteile für einen Stuttgarter Sportwagenhersteller gefertigt. Um die hohen Qualitätsstandards ihrer Kunden zu erfüllen, setzt Läpple auf den Einsatz vollautomatisierter Laserschweißroboter. Für eine präzise Bearbeitung der Karosserieteile müssen die Schweißwerkzeuge permanent gekühlt werden. Hohe Ausfallsicherheit sowie redundante Ausführung sind existentiell.

Propan statt R410A

Das ursprüngliche Planungskonzept zum Stand der Ausschreibung sah eine Umsetzung mit dem konventionellen Kältemittel R410A vor. Im Gespräch mit Kunden und Planer wurden vom ausführender Betrieb Kratschmayer Luft-Wärme-Klima GmbH aus Waldenburg Vor- und Nachteile des vorgesehenen Kältemittels gegenüber Propan beleuchtet, sodass die Entscheidung schließlich auf die zukunftssichere und nachhaltige Variante Propan fiel. Als entscheidende Kriterien stellten sich die Marktverfügbarkeit und zu erwartende Preisentwicklung heraus. Für eine Anlage mit maximaler Verfügbarkeit braucht es zuallererst die sichere langfristige Verfügbarkeit des Kältemittels.

Durchdachtes Sicherheitskonzept

Die anfängliche Skepsis darüber, ob Läpple sich mit dem Kältemittel Propan einen Gefahrenstoff mit Explosionsrisiko auf das Werksgelände stellen will, konnte durch das durchdachte Sicherheitskonzept von Kratsch­mayer und des Systemlieferants der Propananlagen Skadec (www.skadec.de) entschärft werden. Zunächst sind die Kaltsolesätze als Kompakteinheit zur Außenaufstellung konzipiert. Damit befindet sich der Gefahrenbereich außerhalb des Gebäudes. Durch die kompakte Bauweise reicht eine kleine Füllmenge Kältemittel aus. Die Skadec-Propanmaschinen sind standardmäßig mit mehrstufigen Gaswarnsensoren ausgestattet, die bereits kleinste Mengen Propan detektieren. Bei Gasdetektion wird das Innere des Maschinengehäuses gezielt belüftet, um explosionsfähige Gasgemische zu verhindert bzw. Gasnester aufzulösen. Die abgesaugte Luft wird durch einen Kanal über der Maschine ausgeblasen.

Gegenüber der Ausschreibung konnte der EER der Kaltsolesätze durch den Einsatz von Propan und Optimierung der Komponentenauslegung auf 3,93 erhöht werden, was deutlich über der zuvor geforderten Effizienz liegt.

Redundantes Kältekonzept

Die beiden redundanten Kaltsolesätze arbeiten jeweils auf zwei Kältekreise mit je einem Verdichter. Beide Kältekreise sind mit einem elektronischen Expansionsventil ausgestattet und übertragen mit dem gemeinsamen Plattenwärmeübertrager auf das Prozessmedium. Jeder Kreis hat ein eigenes Verflüssigungsregister mit einzeln ansteuerbarem EC-Lüfter. Ein Verdichter ist mit Frequenzumformer ausgestattet, sodass eine Leistungsanpassung zwischen 30-100 % möglich ist. Die installierte Kälteleistung beträgt in Summe 2 x 100 kW, wobei der Bedarf bei 100 kW liegt. Im Winter kann die Prozesskälte auch durch Freikühlung abgefahren werden, wofür ein 150 kW-Freikühler integriert ist. Die Gesamteffizienz steigt dadurch maßgeblich.

Regelung

Regelungstechnisch wird die redundante Ausführung durch Master- und Slave-Maschine abgebildet. Die Master-Maschine legt bei Anforderung anhand der Betriebsstunden fest, welche Maschine in Betrieb geht. Diese regelt sich dann selbst ein, bzw. schaltet den Freikühler eigenständig zu. Die Slave-Maschine springt automatisch in die Master-Rolle, falls diese ausfällt. Bei Kommunikationsausfall von Hardware- und TCP/IP- Verbindung schalten beide Maschinen zu. Die Störung eines Kältekreises führt zur Leistungs-Ausregelung durch die aktive Maschine mit Hilfe des zweiten Kreislaufs.

Die Regel- und Steuerungssoftware überwacht für die maximale Betriebssicherheit alle relevanten Prozesswerte. So können Störungen durch Unregelmäßigkeiten im Betrieb frühzeitig erkannt werden. Der benannte Servicepartner bekommt daraufhin eine E-Mail, sodass kurze Eingreifzeiten verwirklicht werden können. Im Störungsfall hält der implementierte Notfallmodus durch die Analyse verschiedener Prozessparameter die Kühlung mit maximal verfügbarer Kälteleistung so lange wie möglich aufrecht.

Der integrierte Datenlogger zeichnet alle relevanten Prozessparameter auf. Mithilfe des Fernwartungsrouters unterstützten die Kratsch­mayer-Techniker vom Büro aus die Monteure während der Inbetriebnahmephase bei der Kontrolle des Betriebsverhaltens und der Feinjustierung der Regelparameter. Vor Ort wird dies über das übersichtliche und ausführliche Bedienungskonzept via Touch Display oder Laptop vorgenommen.

BAFA-Förderung

Durch Fördermittel des Bundesamts für Wirtschaft- und Ausfuhrkontrolle (BAFA) und die höhere Effizienz des neuen Konzepts werden die höheren Investitionskosten relativiert und die Amortisationszeit verkürzt. Ende 2019 läuft das BAFA-Förderprogramm aus, für dessen Antragstellung Läpple den Service des Anlagenbauers zur Unterstützung hatte.

Servicefreundliche Geräte

Die Verbindung zwischen Skadec und dem Fachhandwerk zeigt sich in vielen praktischen und cleveren Verbesserungen an den Kaltsolesätzen bei Läpple. Verbesserte konstruktive Elemente sind zum Beispiel die Schaltschranktür, die auch als Regendach fungiert, und die servicefreundliche Komponentenanordnung. Die Bedienoberfläche des Touch Displays ist übersichtlich und intuitiv bedienbar und erleichtert Inbetriebnahme und Service enorm. Da die Maschinen aus der Praxis heraus entwickelt werden, profitiert Skadec von den Erfahrungen und Verbesserungsvorschlägen des Kratschmayer-Montageteams und der Servicemonteure. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Weiterentwicklung mit ein.