5 Möglichkeiten für die additive Fertigung in der Windenergiebranche

Von Leslie Langnau | 30. Januar 2019

Von Inês Castro, Materialwissenschaftlerin und Ingenieurin

Additive Fertigungstechnologien (AM) bieten eine Reihe von Vorteilen für die Windindustrie. Die folgenden Beispiele zeigen, dass die Umsetzung für einen marktwettbewerbsfähigeren Energieversorger möglich und sogar empfehlenswert ist. Sobald die Technologien weiter entwickelt, zuverlässiger und standardisiert sind, werden die Lieferketten verkürzt und die Produktion könnte stärker lokalisiert werden, was die Transportzeiten und -kosten reduziert und die Implementierung von AM in der Windindustrie ermöglicht.

Im Allgemeinen kann AM die Entwicklungszeit von Teilen und Komponenten um bis zu 75 % verkürzen, die Materialressourcen um bis zu 65 % reduzieren und die Gasemissionen um bis zu 30 % reduzieren. Darüber hinaus kann ein einzelnes Teil in einem Schritt hergestellt werden, ohne dass ein zweiter Fügeprozess erforderlich ist.

Darüber hinaus kann die additive Fertigung auch bei der Reparatur von Bauteilen eingesetzt werden.

Additive Fertigung für Windkraftanlagen Der Global Wind Energy Council hat erklärt, dass die Windindustrie in den letzten Jahren mithilfe des Marktes für Offshore-Windkraftanlagen ein exponentielles Wachstum verzeichnet. Daher sind Entwicklung und Innovation durch Materialien und Fertigungstechnologien für den Erfolg der Windindustrie und die weitere Steigerung ihrer jährlichen Energieproduktion von entscheidender Bedeutung [7].

Die Rotorblätter einer Windkraftanlage drehen und verschieben sich mit der Wirkung des Windes, wodurch sich der Rotor dreht. Das Getriebe stellt die Verbindung zwischen der langsam laufenden Welle und der schnell laufenden Welle her und erhöht die Umdrehungen pro Minute von 30 bis 60 U/min auf etwa 1000 bis 1800 U/min, die ein angeschlossener Generator nutzt, um diese Umdrehungen in elektrische Energie umzuwandeln. Der Turm trägt die Struktur der Turbine, wobei die Gondel die Komponenten oben auf dem Turm enthält und schützt [9].

AM-Technologien weisen großes Potenzial für die Windkraftindustrie auf, da sie die Herstellung von Turbinenkomponenten vor Ort ermöglichen könnten, die auf die besonderen Anforderungen der Ressourcen eines bestimmten Standorts zugeschnitten sind. Dies würde beispielsweise die Versand-, Transport- und Bearbeitungskosten senken und die Geschwindigkeit erhöhen, mit der neue Rotorblatt-Prototypen getestet werden können [6].

Additiv gefertigte Formen Das Advanced Manufacturing Office (AMO) des US-Energieministeriums hat damit begonnen, Formen für Rotorblätter mit AM-Technologien zu drucken (Abbildung 2). Die Ausweitung dieser Anwendung in der Formenindustrie würde die Schritte, die Kosten und die Zeit für die Formenherstellung reduzieren, da der traditionelle Weg ein Prozess ist, dessen vollständige Fertigstellung mehrere Wochen bis Monate dauern kann [6, 10].

Die Form in Abbildung 2 wurde in mehreren Abschnitten auf einem Big Area Additive Manufacturing (BAAM) 3D-Drucker im Oak Ridge National Laboratory gedruckt.

Abbildung 4: Der hergestellte Klingenabschnitt auf der gedruckten Form

Additive Fertigung kleiner, netzunabhängiger Turbinen Ein von Kyle Bassett ins Leben gerufenes Projekt mit dem Titel „A Small Turbine to Make a Big Difference“ hat zum Ziel, kleine, auf Kunststoff basierende 3D-gedruckte Windturbinen in abgelegenen Gebieten mit minimalem Zugang zu Elektrizität zu installieren. Der Gründer dieses Projekts begann mit der Entwicklung einer Turbine, die die erzeugte Energie in Batterien für den persönlichen Gebrauch speichern kann [11].

Mit einem Printerbot Simple Metal 3D-Drucker wurde ein maßstabsgetreues Modell der Turbine entwickelt. Dazu gehörten die Rotorblätter, Naben, Rotorverbindungen, der Rahmen und die Rotorblattenden, die bei traditioneller Herstellung die teuersten Komponenten wären [13].

Bedruckte Gondeln Weitere Anwendungen könnten die Erstellung der Gondel sein. Die Vorteile der Integration von AM in solche Strukturen sind ähnlich, z. B. wirtschaftliche Anreize für die Formenherstellung, es treten jedoch auch Herausforderungen auf, wie z. B. die Notwendigkeit, Wetterschutz, passive Kühlung und eine hohe Geometriekomplexität zu bieten.

Das Projekt Additive Manufacturing Integrated Energy (AMIE) hat die Gondelstruktur jedoch erfolgreich hergestellt.

Reparatur und Austausch von Komponenten Auch wenn das Hauptaugenmerk auf die Herstellung neuer Komponenten gerichtet ist, sollte auch die Reparatur von Teilen in Betracht gezogen werden, die aufgrund von Verschleiß verbessert oder ausgetauscht werden müssen. Für diese Anwendung könnten Hybridsysteme, die Prozesse wie Directed Energy Deposition mit subtraktiver Bearbeitung integrieren, letztendlich zu den richtigen Toleranzen und einer Designimitation der ersetzten Komponenten führen [14].

Drucken von großformatigen Bauteilen Großformatige Metall-AM- oder Draht- und Lichtbogen-Additivfertigung ist eine aufstrebende Technologie, die das Drucken großformatiger Teile erleichtern kann. Dadurch ist sogar die additive Fertigung der Gondel- und Rotorblattformen möglich, da kein beengter Operationssaal erforderlich ist und, wie der Name schon sagt, Anwendungen im großen Maßstab möglich sind.