Leistungsstarke Teile

Robuste Materialien, enge Toleranzen, geringe Mengen und komplexe Formen – führende Anbieter bieten Ratschläge zur Bewältigung der strengen Anforderungen der Energiebranche

Amerika wurde auf der weltweit ersten erneuerbaren Energiequelle gegründet: Holz. Bedauerlicherweise stellten die Siedler des Landes bald fest, dass die Bäume, die sie zum Heizen ihrer Häuser und zum Kochen ihres Essens verbrannten, nicht schnell genug wuchsen, um mit der steigenden Nachfrage Schritt zu halten, und so stiegen sie auf Kohle um.

Mit der Erfindung der Elektrizität und dann des Automobils übernahmen jedoch bald die fossilen Gegenstücke der Kohle – Öl und Erdgas – die Führung in der Energieparade und bleiben bis heute an der Spitze. Tatsächlich prognostiziert der Annual Energy Outlook-Bericht 2022 der US-amerikanischen Energy Information Administration (EIA), dass nicht erneuerbare Energiequellen bis 2050 das Sagen haben werden.

Es wurde außerdem darauf hingewiesen, dass umweltfreundlichere Alternativen wie Solar-, Wasserstoff- und Windenergie angesichts der zunehmenden Besorgnis über die globale Erwärmung und die Luftverschmutzung an Bedeutung gewinnen. Wenn man dazu noch ein Wiederaufleben der Kernenergie und den Vorstoß zur Aufrüstung bestehender Wasserkraftquellen mit moderner Technologie hinzufügt, steht die elektrische Wand vor der Tür: Fossile Brennstoffe werden irgendwann (wenn auch unwahrscheinlich zu Lebzeiten dieses Babyboomers) den Weg gehen wie die prähistorischen Kraftwerke und Tiere, die sie gemacht haben.

Unabhängig von der Energiequelle ist es eine anspruchsvolle Aufgabe, ihre Photonen, Moleküle oder Bewegungen zu sammeln und sie dann in Elektrizität umzuwandeln. Beispielsweise muss eine Offshore-Ölplattform in Hunderten oder Tausenden Fuß tiefem Wasser betrieben werden und Löcher in die Erde bohren, die ein Vielfaches dieser Tiefe betragen. Die Drücke sind extrem, die Flüssigkeiten ziemlich ätzend und die Temperaturen außerordentlich hoch.

Aus diesem Grund verwenden Ölquellen und Raffinerien viele der gleichen hitzebeständigen Superlegierungen (HRSA), die auch in Düsentriebwerken und anderen Flugzeugkomponenten zu finden sind. Metalle wie Inconel 718 und 17-4 PH Edelstahl enthalten relativ große Mengen an Chrom, Molybdän, Nickel und anderen Legierungselementen, die den sonst gewöhnlichen Stahl extrem zäh und fest machen – leider machen sie diese Legierungen auch schwer zu bearbeiten und zu bearbeiten fabrizieren.

Scott Green kümmert sich wenig um die Bearbeitbarkeit. Als Hauptlösungsführer bei 3D Systems Inc., Rock Hill, SC, liegt ihm die Reduzierung der Teileanzahl, die Kraftstoffeffizienz und die Markteinführungszeit am Herzen – Attribute, die es dem Direktmetalldruck (DMP) ermöglichen, bedeutende Fortschritte in der Industrie zu machen Energiesektor, insbesondere der Markt für Industriegasturbinen (IGT).

Ein Großteil dieses Erfolgs ist auf die Fähigkeit von DMP zurückzuführen, diese Hochleistungsmetalle in äußerst komplexe Formen umzuwandeln, deren Herstellung einmal unmöglich oder zumindest unerschwinglich war, wodurch einige oder alle Bearbeitungs- und Montageschritte auf dem Weg entfallen. „Der Einsatz von Mikroturbinen bei der dezentralen Stromerzeugung und -speicherung bietet große Chancen, und das hat erhebliche Auswirkungen auf die additive Fertigung“, sagte er.

Schauen Sie sich an, was im Winter 2021 in Texas passiert ist, als große Teile des Stromnetzes wegen schlechten Wetters abgeschaltet wurden. Eine dezentrale Stromerzeugung hätte dies vermieden. Dann gibt es noch Kalifornien, wo Besitzer von Tesla Powerwalls dazu beitrugen, Stromausfälle zu lindern, indem sie Strom in das Netz zurückspeisten. Solche Beispiele zeigen, dass eine modernisierte Energielösung, die eine kleine, lokale Stromerzeugung umfasst, immer beliebter wird und bald in den Vereinigten Staaten, wenn nicht sogar auf dem gesamten Planeten, explodieren wird.

Green behauptet, dass Mikroturbinen ein entscheidender Teil dieser Energiegleichung seien. Wenn Kommunen und Kreisverwaltungen in ihre eigene Stromversorgung investieren, werden sie plötzlich viel unabhängiger von der staatlichen und regionalen Energieinfrastruktur und widerstandsfähiger gegen wetterbedingte oder zivilbedingte Störungen.

Was hat 3D-Druck damit zu tun? Gute Frage, sagte Green. „Genau wie wir es in anderen Fertigungssektoren gesehen haben, bringt DMP viele Vorteile mit sich. Erstens erhöhen sich mit der Verkleinerung großer Industrieturbinen die Möglichkeiten zur Teilekonsolidierung. Dies vereinfacht das Design und reduziert die Kosten. Darüber hinaus genießen die Hersteller eine größere Gestaltungsfreiheit und suchen nach Möglichkeiten, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Hinzu kommt die Fähigkeit, schneller zu iterieren, und Sie werden erkennen, warum Metall-AM eine immer wichtigere Rolle für das Wachstum der IGT-Branche spielt.“

Es trägt auch dazu bei, die bestehende Energieinfrastruktur umweltfreundlicher zu gestalten.

Der passend benannte Green arbeitet mit Ingenieuren eines „großen Energieunternehmens“ zusammen, um Abgase durch Turbinentechnologie zu reduzieren und zu nutzen. „Anstatt es in die Umwelt abzulassen, planen sie, Verbrennungsnebenprodukte durch eine Turbine umzuleiten und so die normalerweise verschwendete Wärme aufzufangen und gleichzeitig Kohlenstoff und andere Schadstoffe zu entfernen. Man nennt es „Point-of-Source-Rauchgasumleitung“, und wie bei der Energieerzeugung im kleinen Maßstab macht der 3D-Druck es für Energieerzeuger viel attraktiver.“

Heath Houghton ist leitender Unternehmensberater bei Autodesk Inc. mit Sitz in San Francisco. Er sieht den gleichen Trend in Richtung Nachhaltigkeit und Reduzierung des CO2-Fußabdrucks und sagte, dass „so ziemlich jeder Kunde“, mit dem er im vergangenen Jahr zusammengearbeitet hat, entsprechende Ziele veröffentlicht hat diese Zeilen. Energieeffizienz sei eine Schlüsselkomponente beider, betonte er, und immer mehr Hersteller greifen auf Simulation und generatives Design zurück, um ihre Unternehmensziele im Energiebereich zu erreichen.

Viele in der Branche setzen Software für generatives Design mit additiver Fertigung gleich. Houghton stimmt zu, dass dies eine der ersten Anwendungen der neuartigen Technologie war, aber es ist bei weitem nicht die letzte. „Menschen nutzen generative Verfahren, um unabhängig von der Herstellungsmethode effizientere Teilekonstruktionen zu erstellen“, sagte er. „Letztendlich kommt es auf die Optimierung der Topologie an, und das ist für viele Anwendungen effektiv, auch für Energiekomponenten.“

Wie Green von 3D Systems und andere, die für diesen Artikel befragt wurden, verzeichnet Houghton eine zunehmende Aktivität im Energiesektor. Viele dieser Teile seien ziemlich groß, fügte er hinzu. Turbinengehäuse und Laufräder etwa sind Bauteile, mit denen sich Green bestens auskennt. Wenn sie zu groß sind, um in die Baukammer eines 3D-Druckers zu passen, oder wenn es wirtschaftlich sinnvoller ist, werden diese und ähnlich komplexe Teile oft im Feingussverfahren hergestellt.

Auch hier spielt der 3D-Druck wieder eine wichtige Rolle. Hersteller können jetzt traditionelle langwierige Musterherstellungsprozesse vermeiden, indem sie QuickCast von 3D Systems und konkurrierende Technologien verwenden und Muster auf Wachs- oder Harzbasis in einem Bruchteil der Zeit drucken, die früher erforderlich war. Ebenso ermöglicht Software für generatives Design Designern, Komponenten aller Art – Energie und andere – stärker, leichter und mit weniger Material herzustellen. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass weniger Bearbeitung erforderlich ist, was den Herstellern Zeit und Geld spart.

Dennoch weist Houghton schnell darauf hin, dass Autodesk der Fertigungspartei weit mehr bietet als nur Design- und Simulationssoftware. Das Flaggschiffprodukt des Unternehmens, Fusion 360, unterstützt beispielsweise die Programmierung von CNC-Werkzeugmaschinen mit bis zu fünf Achsen gleichzeitiger Bewegung sowie zentralisiertes Datenmanagement, Zusammenarbeit zwischen den Design- und Fertigungsteams und eine Vielzahl zusätzlicher Funktionen, darunter auch 3D-Druck ihnen.

„Wie jeder Industriesektor hat auch die Energiebranche ihre eigenen, einzigartigen Herausforderungen“, sagte er. „Wie ich bereits erwähnt habe, sind die Teile in der Regel recht groß, sodass nicht nur erhebliche Möglichkeiten zur Designoptimierung, sondern auch Möglichkeiten zur Rationalisierung der Bearbeitungs- und Fertigungsprozesse bestehen. Wir helfen Herstellern, sich in jedem dieser Bereiche zu verbessern.“

Auch Jeff Wallace, Vice President of Engineering und Chief Technology Officer von DMG Mori Federal Services Inc. (der US-amerikanischen Vertriebs- und Supporteinheit der DMG Mori Group) in Hoffman Estates, Illinois, hat viel zum Thema Rationalisierung zu sagen. Das Unternehmen hat eine breite Palette fortschrittlicher CNC-Maschinen entwickelt, von denen viele darauf ausgelegt sind, früher getrennte Bearbeitungsschritte zu kombinieren und sie bei vielen Teilen in nur einem oder zwei Arbeitsgängen abzuschließen. Ob es sich um eine Multitasking-Drehmaschine, ein Dreh-Fräszentrum oder ein Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum handelt, Funktionen wie diese bringen enorme Vorteile für Maschinenwerkstätten aller Art, darunter auch diejenigen, die Energieteile herstellen.

Und weil solche Werkzeugmaschinen enorm komplex sind, hat DMG Mori auch hart daran gearbeitet, sie so einfach wie möglich zu bedienen. Dies wird zu einem großen Teil durch „Technologiezyklen“ erreicht, die nach Angaben des Unternehmens die Programmierzeit verkürzen, eine ordnungsgemäße Programmstruktur sicherstellen und Fehler minimieren. Wallace hat eine Handvoll dieser Zyklen abgehakt, darunter Multithreading, einfache Werkzeugüberwachung, Maschinenvibrationskontrolle, Interpolationsdrehen und andere, von denen einige jetzt in der zweiten Iteration sind.

Es gibt auch die Herstellung von Ausrüstung. Die Geräte- und Technologiezyklen von DMG Mori unterstützen das Wälzfräsen, Schälen, Fräsen und Schleifen, Vorgänge, die bis vor Kurzem auf Spezialgeräte beschränkt waren. Zugegeben, Zahnräder sind in allem zu finden, vom Eisbereiter in der Kühlschranktür bis zum Getriebe im Familienauto, aber wie Houghton betonte, sind die in der Energiewirtschaft verwendeten Zahnräder typischerweise viel größer als die gerade genannten Standardteile und benötigen daher große Teile Maschinen (wie die von DMG Mori) herzustellen.

Sie werden auch in geringeren Mengen produziert und haben angesichts der Notwendigkeit einer schnellen Durchlaufzeit bei MRO und Ersatzteilen auch kürzere Vorlaufzeiten.

Die von DMG Mori und einigen anderen führenden Werkzeugmaschinenherstellern bereitgestellten multifunktionalen CNC-Geräte erfüllen alle diese Anforderungen.

„Es ist ein großer Segen für die Branche, wenn sie auf Wälzfräsmaschinen und spezielle Zahnradschleifmaschinen verzichten kann“, sagte Wallace. „Dafür gibt es mehrere Gründe. Erstens: Wenn die Arbeit für eine dieser Maschinen versiegt, bleiben sie im Leerlauf, wohingegen ein Multitasker dazu verwendet werden kann, so ziemlich alles zu machen, was durch die Tür kommt. Zweitens werden die Lieferzeiten für Zahnradfräser, Wälzfräser und Schälfräser in der Regel in Wochen oder sogar Monaten gemessen. Wenn Sie also nicht das richtige Werkzeug zur Hand haben, müssen Sie lange auf die Herstellung dieses Zahnrads warten. ”

Wallace weist darauf hin, dass multifunktionale CNC-Maschinen für bestimmte Anwendungen nicht die ultimative Lösung sind. Für die Massenfertigung mit begrenzten Teilezahlen bleibt eine spezielle Ausrüstung zur Zahnradherstellung die kostengünstigste Lösung, wenn auch die weniger flexible. Das Gleiche gilt für Zahnräder, die höchste Genauigkeit und feine Oberflächenbeschaffenheit erfordern, obwohl diese Aussage heute weniger zutrifft als früher. „Wir grinden auf vielen unserer Plattformen und haben auch eine eigene Grinding-Gruppe namens Taiyo Koki, sodass wir oft auch in diesem Bereich konkurrieren können.“

Das gilt auch für Sandvik Coromant US aus Mebane, North Carolina, das eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsstahl-, Vollhartmetall- und Wendeschneidplatten-Verzahnungsfräsern anbietet, die einen spezifischen Bedarf in der Verzahnungsindustrie erfüllen: das Wälzschälen. „Da fünfachsige Werkzeugmaschinen jetzt so präzise sind, dass sie die Hauptspindel und die Werkzeugspindel perfekt und ohne Verzögerung oder Fehlanpassung synchronisieren, sind sie jetzt in der Lage, Power Skiv zu verwenden, ein fortschrittliches Verfahren zur Herstellung von Innen- und Außenverzahnungen und Zahnrädern. ”

Das sagt Chuck Kirts, SAA-Vertriebs- und Anwendungsspezialist für Zahnradfräsen bei Sandvik Coromant. Er weist darauf hin, dass Wälzschälen und andere Formen der Zahnraderzeugung auf Bearbeitungszentren für Kunden, die Stückzahlen in der Automobilindustrie mit speziellen Verzahnungsmaschinen fertigen, schwieriger zu verkaufen sind. Aber für Automobilkunden und Zulieferer, die neue Produktionslinien starten oder ältere Linien ersetzen, bieten diese Maschinen eine erschwingliche und zuverlässige Option. Die Möglichkeit, das Schälen auf derselben Maschine durchzuführen, auf der Sie fräsen, bohren und drehen, ist ein großes Plus. Auf den Luft- und Raumfahrt- und Energiemärkten, wo die Mengen geringer sind, ist dies ein klarer Weg nach vorn, insbesondere bei den zuvor aufgeführten harten Metallen.

„Ich habe kürzlich mit einem Unternehmen im Süden zusammengearbeitet und auf einer der größeren Maschinen von DMG Mori Teile mit einem Durchmesser von etwa 10 Fuß hergestellt“, sagte Kirts. „Wir verwendeten einen unserer Wendeschneidplatten-Schälfräser CoroMill 180, um das Zahnradprofil zu erzeugen, und weil sie über den richtigen Technologiezyklus und direkt angetriebene, hochpräzise Spindeln verfügten, waren sie recht erfolgreich.“

Zahnräder, Turbinengehäuse, Statorringe – die Energiewirtschaft und die von ihr produzierten Teile umfassen weit mehr als nur diese wenigen Beispiele. Denken Sie an Windkraftanlagen. Ja, diese verwenden zum Teil die gleichen Komponenten und haben ein paar Ähnlichkeiten mit anderen Geräten zur Energieerzeugung, aber ein Kohlekraftwerk verbrennt Brocken Kohlenstoff, um Strom zu erzeugen, und ein Kernkraftwerk spaltet Uranatome kontinuierlich und sorgfältig kontrolliert auf Bei einer Explosion tun Windkraftanlagen nichts anderes, als sich sanft im Wind zu drehen.

Guy Dorrell weiß alles darüber. Als Mitglied des globalen externen Kommunikationsteams bei Siemens Gamesa Renewable Energy SA mit Sitz in Vizcaya, Spanien, ist er einer der größten Fans der Windenergie und besonders fasziniert vom Herstellungsprozess hinter der sichtbarsten Komponente jeder Turbine – ihren Rotorblättern. „Sie sind das größte Einzelgussbauwerk der Welt, größer als Artillerierohre, Panzerrümpfe und was auch immer. Nichts anderes ist vergleichbar.“

Diejenigen unter Ihnen, die schon einmal an einem Offshore-Windpark vorbeigefahren sind und sich gefragt haben, wie diese Rotorblätter hergestellt werden, werden von der Antwort vielleicht überrascht sein. Hier gibt es keine riesigen Maschinen, erklärte Dorrell, und auch keine Roboter, die über die 100 Meter oder mehr Länge der Klinge auf und ab kriechen, sondern nur ein Team erfahrener Handwerker, die jede Klinge von Hand konstruieren. Sie legen einzelne Abschnitte aus Glasfaser- und Kohlefaserplatten mit Harz dazwischen in eine Form, glätten alles mit Walzen, drehen es dann um und wiederholen den Vorgang an der anderen Hälfte. Anschließend kommt das Ganze für etwa eine Woche in den Ofen. Anschließend wird das Rotorblatt geschliffen, geprüft, lackiert, zum Offshore-Einsatzort transportiert und an der Gondel verschraubt. „Es ist das Großartigste und Unglaublichste, was man sich vorstellen kann.“

Auf die Frage, warum Siemens Gamesa nicht in die Fußstapfen der Flugzeugindustrie getreten ist und den Prozess automatisiert hat, war seine Erklärung einfach. „Das geht einfach nicht“, sagte er. „Die Rotorblätter sind konisch und haben eine sehr komplexe Tragflächenform mit wirklich komplizierten inneren Strukturen, die verhindern, dass sie bei Windgeschwindigkeiten von 100 Meilen pro Stunde auseinanderfliegen. Wir balancieren auch die Klingen aus und stimmen sie dann mit anderen ab, die zusammenarbeiten, um harmonische Effekte zu dämpfen. Glauben Sie mir, wir haben nach Möglichkeiten gesucht, es zu mechanisieren, aber bisher gibt es die Technologie noch nicht.“

Wie bereits erwähnt, ist Dorrell stolz auf die Handwerker und alles, was das Unternehmen tut. Er sagte, dass Siemens Gamesa vor zehn Jahren Offshore-Windturbinen mit einer Erzeugungskapazität von 2,3 Megawatt installiert habe. Sechs Generationen später ist dieser Wert auf 14 Megawatt gestiegen – genug Energie, um mit jeder Drehung der riesigen Rotorblätter ein Haus mit Strom zu versorgen. Es ist jedoch die Zukunft, die ihn am meisten begeistert – das Unternehmen testet derzeit Möglichkeiten zur Herstellung von Wasserstoff aus Meerwasser, einer Energiequelle, die seiner Meinung nach „völlig umweltfreundlich“ sein wird.

Bis zu diesem Tag lobt Dorrell weiterhin die Windenergie. Wo fossile Brennstoffe von den Energieproduzenten ständige Reinvestitionen erfordern, da die Quellen versiegen und sie gezwungen sind, neue Vorräte zu finden, ist Wind das Geschenk, das immer wieder schenkt.

„Die Herstellung ist zugegebenermaßen etwas schwierig, ebenso wie das Eintauchen ins Wasser, aber sobald man die Investition bezahlt hat, ist alles ein Kinderspiel“, sagte Dorrell.

„Mit ein wenig routinemäßiger Wartung drehen sie sich mehrere Jahrzehnte lang. Und dank einer neuen Technologie, die wir entwickelt haben, können wir die Klingen jetzt recyceln und die Materialien wiederverwenden, anstatt wie bisher alles auf einer Mülldeponie zu vergraben. Es ist wirklich eine grüne Energiequelle und wird sich im Laufe der Jahre immer weiter verbessern.“

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