Nachhaltigkeit bei Industrierobotern

Effizienzpotenziale bei Betrieb und Herstellung

Wenn es um Nachhaltigkeit in der industriellen Produktion geht, bieten auch Industrieroboter große und oft ungenutzte Potenziale zur Einsparung bzw. effizienteren Nutzung von Energie und Material.

Konkrete Ansatzpunkte sind zum Beispiel eine verlängerte Lebensdauer, die Steigerung der Energieeffizienz im laufenden Betrieb oder auch Optimierungen bei Herstellung und Logistik.

Längere Lebensdauer durch systematisches Retrofit

Einen Roboter so lange wie möglich zu nutzen, ist nicht nur günstiger als ein neues Gerät, sondern natürlich auch viel ressourcenschonender. Schon lange setzt Yaskawa daher bereits in der Entwicklung darauf, sehr langlebige Produkte anzubieten. Waren diese früher ausgelegt auf eine Gesamt-Betriebsdauer von acht bis maximal zwölf Jahren, sind viele MOTOMAN-Roboter heute sogar noch nach 30 Jahren im Einsatz.

Der eigentliche Lebenszyklus eines Roboters ist mit etwa acht Jahren allerdings unverändert geblieben. Damit stellt sich die Frage, was nach Ablauf dieser Zeitspanne mit dem Roboter geschehen soll. Wurde er in der Vergangenheit nach etwa acht Jahren einfach durch einen neuen ersetzt, geht es unter Nachhaltigkeitsaspekten darum, seine Betriebsfähigkeit über den ersten Lebenszyklus hinaus zu verlängern.

Eine zumindest theoretische Möglichkeit besteht darin, den Roboter einfach nach dem kalkulierten Ende seines Lebenszyklus weiter zu nutzen und im Havariefall reparieren zu lassen. Eine solche Reparatur nimmt jedoch häufig mehrere Tage in Anspruch – selbst dann, wenn der Servicetechniker sofort verfügbar ist und den Fehler schnell diagnostizieren kann. In dieser Zeit steht die Produktion still. Außerdem sind die Reparaturkosten abhängig vom tatsächlichen Schaden und somit schwierig zu kalkulieren. Zusätzlich entstehen Reise- und Nebenkosten. Und nicht zuletzt sind die Rahmenbedingungen für eine Reparatur im Produktionsumfeld meist nicht ideal, etwa die beschränkte Zugänglichkeit sowie die häufig fehlenden Hebe- und Transportwerkzeuge oder auch Lastenkräne. Eine ungeplante Reparatur vor Ort sollte deshalb auf absolute Notfälle beschränkt sein.

Sehr viel sinnvoller ist ein so genanntes Retrofit, bei dem ein in die Jahre gekommener Roboter planmäßig überholt oder ausgetauscht wird (Abb. 1). Yaskawa bietet für MOTOMAN-Roboter beide Möglichkeiten: Bei einer Generalüberholung wird der Roboter im Robotics-Werk Allershausen komplett zerlegt und in einen neuwertigen Zustand gebracht. Anschließend geht der Roboter wieder an den Kunden zurück. Dieses Programm bietet sich an, wenn der Roboter ohnehin für einige Zeit nicht benötigt wird, beispielsweise bei einem Produktwechsel. Oft muss es jedoch schnell gehen. In diesem Fall empfiehlt sich ein Austausch des Roboters durch ein bereits überholtes baugleiches Modell mit identischer Spezifikation. Dieser Austausch erfordert lediglich eine Nachjustierung der Arbeitsprogramme und kann innerhalb weniger Stunden erfolgen.

Vom Zeitaspekt abgesehen, bieten beide Retrofit-Programme, Generalüberholung und Austausch, dieselben generellen Vorteile: Die Gewährleistung auf getauschte Komponenten erneuert sich für ein Jahr. Ein garantierter Festpreis, der sich an der Tragkraft des Roboters orientiert, bietet maximale Investitionssicherheit. Die bestehende Steuerung, vorhandene Ersatzteile und auch die gesamte Anlagen-Peripherie kann ohne Neuinvestitionen weitergenutzt werden. Die Maschinenstundenpreise reduzieren sich. Außerdem entsteht kein Aufwand für Neuprogrammierung und Mitarbeiterschulung. Und nicht zuletzt stellt der Einsatz eines baugleichen Modells keine „wesentliche Veränderung von Maschinen“ im Sinne der EG-Maschinenrichtlinie (MaschRL/2006/42/EG) dar. Es ist also keine neue Sicherheitsprüfung und keine neue CE-Kennzeichnung notwendig.

Energieeffizienter Betrieb durch Rückspeisung

Beim Thema Energieeffizienz ist zunächst ein Blick auf das durchschnittliche CO₂-Äquivalent (Global warming potential, GWP) der drei Phasen des Roboter-Lebenszyklus aufschlussreich: Am wenigsten CO₂ entsteht während der „End-of-Life“-Phase, wo bei angewandten Recyclingansätzen Energie ins System zurückgegeben werden kann. Der mit Abstand höchste Anteil entfällt hingegen – wenig überraschend – auf die Nutzungsphase, gerade wenn sie viele Jahre dauert. Roboter tragen damit umso mehr zur Realisierung von Nachhaltigkeit bei, je ressourcenschonender sie im laufenden Betrieb arbeiten.

Schon eine intelligente Steuerung der Betriebsabläufe kann Energie einsparen, etwa durch eine automatische Abschaltung der Produktionsanlagen in geplanten Betriebspausen. Es gibt aber auch roboterspezifische Energieeinsparlösungen, denn Industrieroboter führen bei ihren sehr vielfältigen Aufgaben – wie Handling, Palettieren, Fügen oder Bearbeiten – auch viele Abwärts- oder Seitwärtsbewegungen aus. Ihre Servomotoren bauen dabei Energie ab. Bisher, bei älteren oder anderen Robotermodellen auf dem Markt, wird diese Energie steuerungstechnisch durch elektrische Widerstände in Abwärme umgewandelt und ungenutzt an die Umgebung abgegeben.

Yaskawa hingegen hat eine technische Lösung entwickelt, mit der die elektrische Energie auch ohne zusätzliche Hardware ins Betreiber-Netz rückgespeist und weitergenutzt werden kann (Abb. 2). Alle größeren MOTOMAN-Roboter der Baureihen ab ca. 50 kg Traglast und mit der aktuellen YRC1000-Robotersteuerung sind serienmäßig in der Lage, kinetische Energie aus Ab- und Seitwärtsbewegungen direkt in 400 V Wechselstrom bei 50 Hz umzuwandeln und ins Stromnetz zurückzuspeisen.

Der Energiebedarf des Roboters reduziert sich damit je nach Bewegungsmuster deutlich. Wie hoch die Einsparung im Einzelnen ist, hängt naturgemäß stark von der Aufgabe und dem individuellen Bewegungsmuster des Roboters ab. Erfahrungswerte liegen im Bereich von 8 % bis zu 25 %. Im Ergebnis kann dies jährlichen Einsparungen von rund 2.800 KWh pro Roboter entsprechen. Das ist etwa der Strombedarf eines Dreipersonenhaushalts und entspricht rund 1.600 kg vermiedenes CO₂ bzw. weit über 1.000 € eingesparte Stromkosten.

Weitere Effizienzpotenziale erschließen die MOTOMAN-Roboter durch ihre schlanke und kompakte Bauform mit geringen bewegten Massen sowie durch das schnelle Einfallen von Bremsen bei Bewegungspausen, um die aktive Positionsregelung bei Nichtgebrauch abzuschalten.

Nachhaltigkeit bei Herstellung und Logistik

Als Zulieferer wie auch als Unternehmen insgesamt hat sich Yaskawa aber auch selbst hohe Nachhaltigkeitsziele gesetzt: Nicht nur in Europa, sondern weltweit richtet der Technologiekonzern seine Aktivitäten an den 17 UN-Nachhaltigkeitszielen aus und unterstützt den Einsatz seiner Produkte für nachhaltige Projekte, z. B. zur Bewässerung, Bestückung, Aussaat und effizienten Lebensmittelerzeugung in der smarten Landwirtschaft für eine nachhaltigere und lebenswerte Zukunft. Durch den Verkauf ressourceneffizienter Produkte will man weltweit dazu beitragen, bis 2025 die 100-fache Menge der selbst verursachten CO₂-Emissionen einzusparen.

Und Yaskawa setzt – nicht nur, aber gerade auch im Bereich Robotik – auf Europa als Produktionsstandort: Das 2018 eröffnete Roboterwerk von Yaskawa in Kočevje/Slowenien deckt inzwischen fast 90 Prozent des europäischen Bedarfs an MOTOMAN-Robotern. Das vermeidet nicht nur den CO₂- und Abgasausstoß von tausenden eingesparten Transportkilometern, sondern verkürzt ganz nebenbei auch die Lieferzeiten für die europäischen Abnehmer und Anwender.

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