Forschung

Michael Krampe, Alexander Harder, Bernd Kuhlenkötter vom LPS, Ruhr-Universität Bochum / am / dsc,

Roboterwerkzeug für effizientere Heizungsanlagen

Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) entwickelt die Firma Schmöle ein neues Verfahren zur Herstellung von Spiralrippenrohren für Wärmetauscher. Neben einer ergonomischen Verbesserung für die Mitarbeiter soll der Herstellungsprozess flexibler werden, wodurch sich die Wärmetauscher individueller an ihren späteren Einsatzort anpassen lassen.

Das Schweißmodul im Detail © Schmöle

Die Herstellung von Spiralrippenrohren von Wärmetauschern erfolgt durch das spiralförmige Anschweißen eines Metallbands, der späteren Kühlrippen, entlang eines meist dünnwandigen Rohres. Im Forschungsprojekt wird derzeit ein Roboterwerkzeug entwickelt, das den Herstellprozess optimieren soll. Für die Mitarbeiter sollen dadurch einige nicht ergonomische Prozesse wegfallen. Durch den Einsatz eines flexiblen Industrieroboters lässt sich das Spiralrippenrohr individueller fertigen, indem die Steigung der spiralförmigen Kühlrippe über den Verlauf des Rohres graduell variiert wird. Dadurch lassen sich die Eigenschaften des Wärmetauschers für den späteren Einsatzort innerhalb einer Heizungsanlage verbessern.

Vereinfachter Rüstvorgang

Für die Mitarbeiter sollen sich durch das neue Verfahren drei Tätigkeiten ändern: der Rüstvorgang, die Nachbearbeitung und die Wartung. Beim bisherigen Rüstvorgang wird das Metallband umständlich durch ein System aus mehreren Umlenkrollen geführt. Zukünftig soll der Roboter das Band automatisch in sein Werkzeug einziehen und dem Schweißprozess zuführen. Damit der Prozess möglichst effizient abläuft, wird ein möglichst langes Spiralrippenrohr gefertigt und anschließend in kürzere Stücke zersägt. An den Sägestellen, die nicht berippt werden sollen, wird das Laserschweißen kurzzeitig unterbrochen, das Metallband jedoch weiter aufgewickelt.

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Die Mitarbeiter müssen im Anschluss mit einer Zange das Metallband an den Sägestellen händisch durchschneiden und abziehen. Dieser Prozess ist gerade bei stärkeren Metallbändern sehr unangenehm. Zudem entsteht Verschnitt, was besonders bei hochwertigen Legierungen für unnötigen Verlust sorgt. Dieser Schneidprozess soll nun durch das Roboterwerkzeug kurz vor dem Schweißen erfolgen. Dadurch wird das Metallband passgenau zugeschnitten und die Sägestellen bleiben frei. Weiterhin wird die Wartung der Anlage vereinfacht. Derzeit ist die Zugänglichkeit der Anlage zu Wartungszwecken nicht ideal. Der Industrieroboter könnte sich jedoch um 180° drehen und das Werkzeug in einer angenehmen Wartungsposition präsentieren.

Die Vorteile der hohen Flexibilität

Die lasergeschweißten Spiralrippenrohre werden unter anderem in der Heizungsindustrie eingesetzt. Hier wird, zum Teil in mehreren Teilabschnitten, die Abgaswärme auf Heizungs- oder Brauchwasser übertragen. Dazu werden die Spiralrippenrohre zu einem Wendel gebogen und in die Brennkammer der Heizungsanlage eingesetzt. Mit der gewonnenen Flexibilität in der Verstellung des Schweißwinkels lässt sich die Rippendichte auf dem Rohr ideal auf die Anforderungen der jeweiligen Wärmeübertragungszone in der Heizungsanlage optimieren.

Das Robotermodul mit den drei Bereichen Schweißen, Schneiden und Antrieb.

In Zonen, in denen die Abgaswärme das Wasser im Spiralrippenrohr zum Sieden bringen würde, lässt sich die Rippendichte und damit die Übertragungsoberfläche reduzieren. In Zonen, in denen über die Kondensation des Abgases die Restwärme an das Wasser übertragen werden soll, kann mit dem neuen Verfahren die Rippendichte und damit die Übertragungsoberfläche erhöht werden.

Mit dem neuen Werkzeug und der zusätzlichen Flexibilität im Herstellprozess kann die Firma Schmöle aus Fröndenberg höhere Effizienzgrade durch Optimierung der Rippengeometrie bieten. Dies gilt für Brennwertheizsysteme, nachgeschalte Wärmerückgewinnungssysteme, aber auch für viele weitere Wärmeübertragungssysteme, in denen sich unterschiedliche Wärmezonen mit optimierten Rippenrohren bedienen lassen.

Die Entwicklung des Roboterwerkzeugs

Das Roboterwerkzeug befindet sich derzeit in der Prototypenphase. Die besondere Herausforderung liegt in der Unterbringung der vielen Anforderungen auf kleinstem Raum. Der Aufbau des Werkezugs lässt sich dazu, wie im Bild dargestellt, in die Funktionsmodule Antrieb, Schneide und Schweißen aufteilen. Das Metallband wird vom Coil zum Werkzeug geführt, der Antrieb nimmt das zugeführte Metallband auf und bewegt es durch das Werkzeug bis zum Schweißpunkt.

Bislang war kein Antrieb des Metallbands erforderlich, da das Metallband kontinuierlich vom sich drehenden Rohr nachgezogen wurde. Da das Metallband des neuen Werkzeugs jedoch bereits vor dem Schweißprozess zurechtgeschnitten werden soll, wird diese Verbindung immer wieder getrennt, und das Metallband muss erneut zum Schweißpunkt vorgeschoben werden. Das Trennen des Metallbands erfolgt durch eine Schneide, die pneumatisch arbeitet und das Metallband für die späteren Sägestellen unterbricht. Damit muss das Rippenrohr vor dem Sägen an diesen Stellen nicht mehr entrippt werden. Im letzten Modul wird das Metallband dem Schweißprozess stabil, aufrecht und im gewünschten Steigungswinkel zugeführt.

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