Mit Sand-3D-Drucker Offshore-Windkraftanlagen optimieren

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GE Renewable Energy, Fraunhofer IGCV und Voxeljet AG starten Entwicklungsprojekt für den weltgrößten Sand-3D-Drucker für Offshore-Windkraftanlagen. Das Projekt dient der Beschleunigung und Optimierung der Produktion einer wichtigen Gusskomponente der GE Haliade-X Offshore-Turbine.

Der 3D-Druck flexibilisiert die Produktion großer Turbinenkomponenten in der Nähe von Offshore-Windprojekten, und hilft zudem Transportkosten und Umweltbelastungen zu reduzieren. Die Erprobung der neuen Technologie (Sand-3D-Drucker) ist für das 1. Quartal 2022 vorgesehen.

Gemeinsames Projekt: Sand-3D-Drucker

GE, das Fraunhofer IGCV und die Voxeljet AG geben eine Forschungspartnerschaft zur Entwicklung des weltweit größten 3D-Druckers für Offshore-Windkraftanlagen bekannt. Ziel der Kooperation ist es, die Produktion von Hauptkomponenten der Offshore-Windturbine Haliade-X von GE zu optimieren. Der in der Entwicklung befindliche 3D-Drucker Advance Casting Cell (ACC) wird über das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie bezuschusst und in der Lage sein, Formen für Gusskomponenten zu drucken, die innerhalb der Gondel der GE Haliade-X verbaut werden. Der Sand-3D-Drucker wird in der Lage sein, die Herstellungszeit der bis zu 60 Tonnen schweren Formen von zehn Wochen auf zwei Wochen zu reduzieren. Durch den Betrieb des Druckers nahe der Installationsstätten der Windturbine kann darüber hinaus der CO2-Fußabdruck verringert werden, da lange Transportwege durch die Vor-Ort-Produktion entfallen. Der Projektstart erfolgt im dritten Quartal 2021, und erste Drucktests sind für das erste Quartal 2022 geplant.

3D-Drucker für Fertigung von Sandformen

Das Projekt umfasst unter anderem die Entwicklung eines neuen, großformatigen 3D-Druckers für die additive Fertigung von Sandformen für den Metallguss von hochkomplexen Bauteilen, die innerhalb von Offshore-Windkraftanlagen-Gondeln verbaut werden. Das modulare 3D-Druckverfahren basiert auf der Binder-Jetting-Technologie von Voxeljet und kann so konfiguriert werden, dass Gussformen mit einem Durchmesser von bis zu 9,5 Metern und einem Gewicht von über 60 Tonnen gedruckt werden können.

Juan Pablo Cilia, Senior Additive Design Engineer bei GE Renewable Energy, kommentiert: „Die 3D-gedruckten Formen werden viele Vorteile mit sich bringen, unter anderem eine bessere Gussqualität durch verbesserte Oberflächenqualität, Bauteilgenauigkeit und Gleichmäßigkeit. Darüber hinaus ermöglichen additiv gefertigte Formen Kosteneinsparungen zum Beispiel aufgrund reduzierter Bearbeitungszeiten und Materialeinsparungen durch optimierte Bauteildesigns. Diese noch nie dagewesene Produktionstechnologie wird die Fertigungseffizienz nachhaltig steigern und eine wirtschaftliche, lokale Fertigung in Hochkostenländern ermöglichen - ein entscheidender Pluspunkt für unsere Kunden, die den Nutzen der Offshore-Windenergie für die lokale Wirtschaft maximieren wollen.“

Thermomanagement während des Gießens

Das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV ist für gieß- und werkstofftechnische Fragen sowie die digitale Prozessüberwachung zuständig. „Wir nehmen das Thermomanagement während des Gießens unter die Lupe und werden die idealen Mischungsverhältnisse der Druckmaterialien evaluieren“, erklärt Dr. Daniel Günther, Abteilungsleitung Formverfahren und Formstoffe am Fraunhofer IGCV. „Außerdem werden wir im Rahmen des Projekts neue Ansätze zur Prozessüberwachung entwickeln und testen.“ Aufgrund der bisherigen Erfahrungen erwartet das Team, die Umweltbilanz der Prozesse bei der Herstellung von Windkraftanlagen des Typs Haliade-X deutlich zu verbessern.

Nachhaltigkeitsaspekte dieser Art sind fest verankerte Leitgedanken der Fraunhofer-Gesellschaft. So ergänzt Institutsleiter Prof. Dr. Wolfram Volk: „Unser Ziel ist es, den Formdruck (durch den Sand-3D-Drucker) zu optimieren, um extrem teure Fehldrucke oder gar Fehlgüsse zu vermeiden, Druckmaterialien wie Binder zu sparen und das mechanische und thermische Verhalten beim Gießen zu verbessern. Durch die Entwicklung eines möglichst ressourcenschonenden Prozesses wollen wir dazu beitragen, die Umwelt- und Kostenbilanz bei der Herstellung der Windkraftanlagen zu verbessern.“

Christian Träger, Director Sales & Marketing bei Voxeljet, sagt: „Die Testform, die wir 2019 für GE gedruckt haben, bestand aus Dutzenden von Einzelteilen. Mit dem ACC wollen wir die Anzahl deutlich reduzieren. Zudem können die Formen dank der geometrischen Freiheit des 3D-Drucks in Bezug auf Funktionalität und Materialverbrauch optimiert werden. Das ermöglicht völlig neue Gussdesigns, die die Effizienz der Turbinen weiter steigern können.“

Sand-3D-Drucker erschließt Potenziale

„Während der On-Demand-3D-Druck viele Vorteile für kleine Mengen an Gussteilen bietet, kann ein 3D-Drucksystem vor Ort das Potenzial der Technologie vollständig entfalten. In Anbetracht der Nachfrage an Offshore-Windkraftanlagen ist das eine große Hilfe, um Projekttermine und hohe Marktanforderungen zu erfüllen,“ ergänzt Dr. Ingo Ederer, CEO bei Voxeljet. „Mit unserer produktiven ‚Binder-Jetting‘-Technologie in Kombination mit unserer Erfahrung im großformatigen industriellen 3D-Druck sind wir seit über 20 Jahren für Kunden aus der Gießereiindustrie tätig. Es ist unsere Mission, den 3D-Druck in die industrielle Serienfertigung zu bringen und wir freuen uns, Teil dieses bahnbrechenden Projekts zu sein.“

Die International Energy Agency prognostiziert, dass die Kapazitäten von Offshore-Windkraftanlagen bis 2040 um das 15-fache ansteigen und sich zu einer 1-Billionen-Dollar-Industrie entwickeln wird – ermöglicht durch sinkende Kosten, eine unterstützende Politik der Regierungen und technologische Fortschritte, wie sie hinter der Offshore-Turbine Haliade-X von GE Renewable Energy stehen. GE Renewable Energy wurde ausgewählt, seine Haliade-X-Turbine für 5,7 GW-Projekte in Europa und den USA zu liefern. Das Unternehmen ist Mitglied des Offshore Wind Industry Council (OWIC) und unterstützt in diesem Rahmen verschiedene Initiativen, die auf die Steigerung nachhaltiger Windenergieerzeugung ausgerichtet sind.

Von Frederik von Saldern.

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