La tecnologia CNC per la produzione automatizzata delle pale dei rotori

È possibile trasformare, grazie alla tecnologia CNC, la produzione delle pale dei rotori da una serie di operazioni principalmente manuali ad un processo automatizzato?

Ed è possibile farlo in modo semplice e con costi accettabili?

Sono queste le domande a cui un consorzio composto da diverse aziende specialiste in tutti i settori interessati – tra cui Siemens AG – e partner di ricerca nell’ambito di un progetto congiunto sponsorizzato dal Ministero Federale dell’Economia e dell’Azione per il Clima in Germania han cercato di dare risposta.

Il cambiamento climatico e l’attuale crisi energetica rendono sempre più necessario l’utilizzo di fonti rinnovabili, tra cui l’energia eolica. Tuttavia, per generare più energia dal vento, occorrono più sistemi di energia eolica con maggiori potenze nominali. Per raggiungere questo obiettivo, le strategie di produzione e capacità devono diventare molto più efficienti ed economicamente convenienti, soprattutto per quanto riguarda le pale dei rotori.

Le pale del rotore rappresentano, infatti, fino al 25% del costo complessivo di un sistema di turbine eoliche. È fondamentale quindi ridurre significativamente i costi ed aumentare l’affidabilità del processo per ridurre al minimo il rischio di errori e i conseguenti difetti di qualità.

È proprio qui che entra in gioco l’automazione, già utilizzata da tempo nella produzione di altri componenti delle turbine eoliche, come scatole di ingranaggi, generatori e segmenti di torri.

La produzione delle pale del rotore oggi

Oggi le pale del rotore vengono ancora fabbricate prevalentemente a mano. Date le loro dimensioni, fino a 100 metri di lunghezza con diametri di flangia fino a 10 metri, richiedono enormi stampi in cui i materiali in fibra di vetro o di carbonio vengono posizionati manualmente e impregnati di resina. Il materiale composito indurito forma una metà della pala e viene irrigidito con dei tiranti e accoppiato con la seconda metà per formare la pala completa. La pala viene poi rilavorata, tagliata e levigata, ritoccata, verniciata e testata, tutte fasi delicate che richiedono tempo.

La sfida: automatizzare la produzione delle pale del rotore

Le aziende partner del consorzio hanno analizzato l’intero processo produttivo, hanno poi definito i sottoprocessi che possono essere automatizzati e sviluppato un sistema che integra tutte le attività per poter fabbricare in modo efficiente le pale dei rotori.

La divisione Digital Industries di Siemens AG si è occupata dell’area dell’automazione e della digitalizzazione utilizzando il sistema CNC Sinumerik. Sinumerik è infatti già ben consolidato nell’industria delle macchine utensili, con il software Virtual NC Controller Kernel (VNCK) come gemello digitale e la piattaforma software NX CAD/CAM di Siemens con il software del CN virtuale integrato. In aggiunta i convertitori Sinamics e i servomotori della famiglia Simotics, si abbinano in modo ottimale al sistema Sinumerik.

Il processo integrato CAD/CAM-CNC nella produzione automatizzata delle pale del rotore 

Grazie alle potenzialità di Sinumerik è stato possibile, fin dall’inizio, creare un flusso di lavoro digitale integrato per l’intero processo. A partire dalla progettazione in 3D-CAD di un nuovo tipo di pala del rotore, ottimizzata in modo da poter essere fabbricata automaticamente. Questa ha costituito la base per la progettazione delle due metà dello stampo, fino alla lavorazione CNC a 5 o 6 assi, veloce e di alta precisione, con programmi generati automaticamente nel sistema CAM.

Automatizzare un centro di lavoro CNC su misura per pale del rotore

Un rinomato costruttore di macchine ha creato un telaio come esempio e un centro di lavorazione con due portali indipendenti con percorsi di traslazione di 25.000 mm x 4700 mm x 2000 mm. Siemens ha poi automatizzato la macchina, dotando tutti gli assi di servomotori controllati dal sistema Sinumerik, consentendo di lavorare automaticamente singoli stampi di base per metà delle pale o segmenti di pale più piccoli.

Inoltre, le funzioni integrate nel Sinumerik compensano le vibrazioni legate al peso dei due portali, che può raggiungere i 400 kg, e garantiscono un funzionamento estremamente fluido.

Dal controllo CNC al gemello digitale nella produzione automatizzata delle pale rotori

Durante la lavorazione simultanea degli stampi su entrambi i lati, le funzioni di sicurezza integrate nel sistema di controllo (Sinumerik Safety Integrated) monitorano che i portali non entrino in collisione tra loro. Lo stesso vale per l’effettiva produzione e lavorazione automatizzata delle pale sullo stesso impianto con il medesimo sistema di controllo. Sono stati sviluppati degli attuatori che possono essere sostituiti in modo rapido e semplice per attività che fino ad ora erano state eseguite manualmente. Grazie alle schermate specifiche per l’applicazione, integrate nel sistema operativo CNC, l’operatore segue le varie fasi di processo, in modo semplice e sicuro.

Per ridurre i tempi di sviluppo e di lavorazione, ma anche eventuali errori e danni durante la lavorazione delle pale, un gemello digitale Sinumerik consente di simulare e ottimizzare su PC tutte le funzioni di lavorazione CN.

Aumento della qualità, riduzione dei tempi e dei costi 

Con i processi automatizzati tempi e costi di fabbricazione di una pala di rotore “standard” si riducono di almeno il 10%, facendo fronte alla crescente domanda in modo più rapido ed economico. La lavorazione a CN consente di mantenere la qualità a un livello costantemente elevato, immettendo nel mercato solo le pale del rotore perfette.