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Mar 09, 2023

Große Teile, große Energieziele

Additive Fertigung (AM) bietet neue Ansätze, die für Aufwind sorgen könnten

Die additive Fertigung (AM) bietet neue Ansätze, die dem amerikanischen Sektor für saubere Energie, der die Produktion sehr großer Komponenten für Wind-, Kern- und Wasserkraftanlagen ankurbeln muss, neuen Schwung verleihen könnten.

Aggressive Ziele für erneuerbare Energien führen zu einer Ausweitung der Märkte für saubere Energie, doch derzeit übersteigt die Nachfrage die inländischen Produktionskapazitäten.

Die Schließung dieser Lücken wird immer dringlicher, da die Vereinigten Staaten bis 2050 35 % ihres Strombedarfs durch Windenergie decken wollen – mehr als das Dreieinhalbfache dessen, was Wind heute beisteuert.

Die Bewältigung dieser gewaltigen Herausforderung in der Lieferkette erfordert Fähigkeiten, die derzeit nicht vorhanden sind, und AM-Techniken – die am häufigsten für kleine, komplizierte Teile in Betracht gezogen werden – könnten der Schlüssel zur Erschließung des US-amerikanischen Fertigungspotenzials für diese massiven Metallkomponenten sein. Um dies für Windkraftanlagen zu verwirklichen, sind weitere Schritte erforderlich, um die AM-Metallabscheidungsraten zu erhöhen und die Kosten für gedrucktes Material zu senken.

Gussteile im industriellen Maßstab, beispielsweise Stahlgussteile mit einem Gewicht von mehr als 10 Tonnen, sind ein Engpass bei der Ausweitung der Produktion von Teilen für Windkraftanlagen, einschließlich Rotornaben, Grundplatten und Stützrahmen. Der Umfang ist riesig und nimmt sowohl an Größe als auch an Gewicht zu, da die Branche weiterhin auf Offshore-Windkraftanlagen expandiert.

Die mit dem Sandgießen großer Metallteile verbundenen Arbeitskosten veranlassten US-amerikanische Hersteller schon vor Jahren dazu, diese aus ausländischen Quellen zu beziehen.

Nur eine amerikanische Gießerei ist noch in der Lage, die größeren Teile zu verarbeiten, die für Offshore-Windkraftanlagen benötigt werden, und die US-Kapazität, sie in ihre endgültige Form zu bringen, ist begrenzt. Derzeit beträgt die Vorlaufzeit für die Beschaffung kritischer großer Metallkomponenten sechs Monate bis mehr als ein Jahr. Der Versand aus dem Ausland verursacht einen großen CO2-Fußabdruck und ist außerdem teuer und langsam. Die Abhängigkeit von ausländischen Komponenten birgt auch das Potenzial für einen Single Point of Failure in der amerikanischen Windenergie-Lieferkette.

Eine Alternative besteht darin, diese großen Teile additiv herzustellen und sie dann mit automatisierten Werkzeugmaschinen fertigzustellen, die von computergestützter Fertigungssoftware gesteuert werden. Die Vorteile liegen auf der Hand: AM bietet mehr Designflexibilität und -komplexität als herkömmlicher Guss, und durch 3D-Druck ermöglichte Topologieoptimierungsstrategien können eine erhebliche Gewichtsreduzierung ermöglichen.

Mehrachsige Drucker können ein Teil drehen, um verschiedene Teile zu drucken und unterschiedliche Winkel zu erreichen, wodurch Schwerkraftverzerrungsprobleme vermieden werden, die in der Vergangenheit bei Designs begrenzt waren. Durch die Kombination von mehrachsigem Out-of-Plane-Drucken mit mehreren Roboter-Ablagerungsköpfen wird die Palette der herstellbaren Geometrien erheblich erweitert.

Im Gegensatz zum herkömmlichen Guss ermöglicht diese Art des 3D-Drucks die Erstellung komplexer interner Merkmale wie Gitterstrukturen, integrierter Hydraulikleitungen und elektrischer Leitungswege. Außerdem wird die Druckzeit verkürzt, da die Fertigung auf mehrere Systeme aufgeteilt wird, die gleichzeitig am selben Objekt arbeiten.

Ein AM-System namens MedUSA in der Manufacturing Demonstration Facility (MDF) des Energieministeriums am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) nutzt drei Roboter mit jeweils sechs Bewegungsfreiheitsgraden.

MedUSA kann mehr als 54 Pfund Metall pro Stunde drucken oder mit verschiedenen Materialien gleichzeitig drucken. Die von ihm hergestellten Teile erfordern im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Teilen nur minimale kundenspezifische Werkzeuge, obwohl in der Regel immer noch eine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Demnächst wird eine große Werkzeugmaschine installiert, die gemeinsam mit MedUSA die gedruckten Teile so fertigstellt, dass sie exakten Designtoleranzen entsprechen. Nur sehr wenige Anlagen auf der Welt können diese Kombination von Fähigkeiten für große Komponenten bieten. Da ein Großteil des Prozesses automatisiert ist, sind die Arbeitskosten weitaus geringer als beim herkömmlichen Gießen.

„Unsere Forschung untersucht, wie man die additive Fertigung mit dem Metallveredelungsschritt verknüpft, damit sie effizient zusammenarbeiten“, sagte ORNL-Forscher Joshua Vaughan. „Wie druckt man Teile so, dass sie für eine Endanwendung einfach weiterbearbeitet werden können, und welche Vorteile bietet das?“

Mehrere Teams arbeiten an der Beantwortung dieser Fragen und entwerfen flexible Steuerungssysteme, die es ermöglichen, dass der Prozess auf mehreren Skalen und in unterschiedlichen Umgebungen funktioniert. Sie untersuchen auch, wie sich das Scale-up auf die Eigenschaften des gedruckten Materials auswirkt. Und es laufen Experimente, um zu zeigen, dass durch die Kombination von additiver Fertigung (AM) mit nahezu endgültiger Form und maschineller Bearbeitung ein Bauteil entstehen kann, das die gleiche Qualität hat wie ein herkömmlich gegossenes und fertig bearbeitetes Teil.

Andere Forscher haben kleinere Metallteile gedruckt, beispielsweise einen Skelettknoten, der als tragende Verbindung zwischen den Strukturträgern im Inneren der Gondel einer Windkraftanlage dient. Eine neue interne Fachwerkstruktur verspricht, die Masse des Knotens und die Druckzeit bei gleichbleibender Materialstärke zu reduzieren.

Damit AM-Methoden mit ausländischem Guss konkurrieren können, müssen sowohl die Qualität als auch der Preis der Komponenten vergleichbar sein. Die AM-Kosten werden durch die Einsparungen bei Arbeitsaufwand und Transport etwas ausgeglichen. Obwohl die USA über inländische Quellen für AM-Ausrüstung, Metallpulver und Druckdrähte verfügen, sind die im 3D-Druck verwendeten Metalle im Vergleich zu denen, die in der Windindustrie verwendet werden, teuer.

Aus diesem Grund muss sich die Forschung auf kostengünstigere Materialien konzentrieren. Eine vielversprechende neue Technik, die von ORNL erforscht wird, ist die Verwendung eines Elektroschlackesystems mit einem erschwinglichen, kommerziellen Metallband-Ausgangsmaterial zum Drucken großer Gussteile aus erneuerbaren Energiequellen. Mit diesem System kann pro Druckkopf eine Druckgeschwindigkeit von annähernd 110 Pfund pro Stunde erreicht werden.

Bei großen Windkomponenten, die keine Metallgussteile sind, bleibt der Transport eine Herausforderung, die durch automatisiertes Drucken vor Ort ausgeglichen werden kann. ORNL hat in Zusammenarbeit mit General Electric die Machbarkeit des 3D-Drucks großer Betontürme vor Ort demonstriert. Durch die Erhöhung der Höhe dieser Strukturen wird der Windzugang verbessert, es ist jedoch eine noch größere Basis erforderlich. Diese Teile sind nicht nur schwer, sondern auch logistisch schwierig unter Brücken oder durch Tunnel zu transportieren. AM bietet mobile Möglichkeiten vor Ort auch an weit entfernten Standorten.

Während sich der AM-Druck von großen, schweren Metallgussteilen und Betontürmen in einem früheren Entwicklungsstadium befindet, wurden bei der Herstellung leichterer Verbundteile für den Windsektor größere Fortschritte erzielt. Für die Herstellung von Turbinenschaufeln wurden am MDF vor fünf Jahren große Vakuuminfusionsformen gedruckt.

Eine neuere Innovation nutzt AM, um die Formen durch Coextrusion von Draht mit der Polymermatrix zu verbessern. Elektrischer Strom, der durch den Draht fließt, erzeugt Widerstandswärme, wodurch das Harz in der Klingenform aushärten kann. Dieser Ansatz könnte einen arbeitsintensiven Schritt im heutigen Produktionsprozess ersetzen: Ein Team von Technikern wickelt und befestigt manuell Draht, der zu einem Muster über die Rückseite einer mehr als 160 Fuß langen Form gewebt ist.

AM kann zur Verbesserung sowohl der Rotorblattproduktion als auch des Designs eingesetzt werden. Neuartige Ansätze bieten das Potenzial, die strukturelle Leistung zu verbessern und das Gewicht einiger Komponenten zu reduzieren. ORNL demonstrierte beispielsweise den additiven Druck einer 10 Fuß langen, wabenförmigen Innenstruktur für einen kleinen Windflügel.

Die nächste Generation dieser Bemühungen, die im Rahmen einer Partnerschaft zwischen ORNL und GE durchgeführt wird, ist die Schaffung eines hochautomatisierten Prozesses unter Verwendung vollständig recycelbarer thermoplastischer Verbundwerkstoffe. Es kann eine Strukturverstärkung drucken, die mit einer thermoplastischen Verbundhaut verbunden ist, um Rotorblattspitzen von Windkraftanlagen mit einer Länge von 40 Fuß herzustellen. Materialien, Geschwindigkeit und Größe werden im Labor ständig verbessert.

„Wir wollen, dass die Dinge präzise, ​​schnell und zuverlässig sind“, sagte Dan Coughlin, Leiter der Industriekooperationen in der Manufacturing Science Division am ORNL.

„Wir nehmen AM aus seiner üblichen Verpackung und verwandeln es in etwas, das Teile drucken kann, die größer als der Drucker sind.“ ORNL-Forscher werden weiterhin mit Industriepartnern im MDF an diesen Herausforderungen arbeiten, einer 100.000 Quadratfuß (9.290 Quadratmeter) großen Einrichtung zur Entwicklung integrierter Fähigkeiten in Materialien, Software und Systemen. Die Benutzereinrichtung des Energieministeriums ist ein Sprungbrett für den Übergang von Fertigungsinnovationen von der Entwicklung bis zum Einsatz.

Viele neue AM-Technologien, die für die Windkraft entwickelt wurden, insbesondere im Zusammenhang mit Hybrid-AM/Gießen und Endbearbeitung, könnten auch auf große Metallteile für Kernreaktoren oder Wasserkraftwerke angewendet werden. Fortschritte in der Forschung sind für AM von entscheidender Bedeutung, um diese historische Chance zu nutzen, mehr Produktion in die USA zurückzubringen und gleichzeitig zur Verlangsamung des Klimawandels beizutragen.

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