Additive Fertigung Windräder mittels 3D-Druck klimaneutral produzieren

Von Lutz Feldmann*

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Windräder sollen dazu beitragen, die Klimakrise zu bewältigen. Doch im Gegensatz zu ihrer eigenen Stromproduktion ist die Produktion des Windrads selbst noch nicht annähernd klimaneutral. Europas größter Hersteller von Windturbinenblättern, Vestas, will das mit 3D-Druck ändern.

Die Herstellung der Top-Center-Markierungswerkzeuge würde mit herkömmlichen Methoden fünf Wochen in Anspruch nehmen. Mit 3D-Druck konnte die Produktion jedoch auf wenige Stunden verkürzt werden. Zudem wiegen die neuen Teile 85 Prozent weniger und sind deutlich günstiger.
Die Herstellung der Top-Center-Markierungswerkzeuge würde mit herkömmlichen Methoden fünf Wochen in Anspruch nehmen. Mit 3D-Druck konnte die Produktion jedoch auf wenige Stunden verkürzt werden. Zudem wiegen die neuen Teile 85 Prozent weniger und sind deutlich günstiger.
(Bild: Vestas )

Zwischen 137 und 259 Meter über der Erde zieren Windräder vor allem im Norden Europas die Landschaft und viele davon wurden vom dänischen Unternehmen Vestas produziert. Das Unternehmen begann nach dem Zweiten Weltkrieg in Dänemark als familiengeführter Hersteller, 1979 stellten sie ihre erste kommerzielle Windturbine fertig. Seit 1989 konzentriert sich das Unternehmen ausschließlich auf die Produktion von Windturbinen. Heute ist Vestas der weltweit größte Hersteller von On- und Offshore-Windturbinen und Hersteller von Windturbinenblättern. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in Dänemark, mehrere regionale Niederlassungen und mehr als 15 Produktionsstätten weltweit.

Qualitätssicherung stellt Herausforderung dar

Der Ausbau von Windkraftanlagen gerät immer wieder ins Stocken. Ein Aspekt, der zu langen Wartezeiten beim Bau von Windrädern führt, ist die Produktion und anschließende Qualitätssicherung. Zur Sicherung der Qualität war Vestas in der Vergangenheit gezwungen, einzelne Teile mehrfach durch Europa zu schiffen und mit einer Vielzahl von Produktionsstätten weltweit zu arbeiten. Um die rotierenden Riesen am Ende aufzustellen, müssen alle Teile nach Fertigungsanleitung hergestellt worden sein und millimetergenau passen. Die fertigen Teile wurden an die verschiedenen Standorte geschickt, auf Konformität geprüft und – nach Freigabe – in Betrieb genommen. Leider entsprachen immer wieder einige der von lokalen Herstellern gelieferten Teile nicht zu 100 Prozent den Spezifikationen und bestanden daher die Endkontrolle nicht.

Selbst wenn die Teile die spezielle Inspektion überstanden haben, wurde der Großteil mit zeitaufwendigen und teuren kostspieligen traditionellen Bearbeitungsmethoden und Rohmaterialien hergestellt. Ein anschauliches Beispiel sind die Top-Center-Markierungswerkzeuge (TC). Die Herstellung dieser wichtigen Werkzeuge, die Vestas zur Markierung der Schaufelfüße einsetzt, würde normalerweise etwa fünf Wochen dauern.

Aufgrund der begrenzten Anzahl an maschinell bearbeiteten Werkzeugen müsste das Vestas-Team mehrere Versionen des TC-Markierungswerkzeugs bestellen, um eine Reihe von Blättern auszurichten. Oder man denke an die Blitzableiter, die die Schäden durch Blitzeinschlag reduzieren sollen. Diese Rezeptoren werden in subtraktiver Fertigung aus Aluminium hergestellt und benötigen mindestens 12 Wochen bis zur Fertigstellung.

Fehler, fehlende Teile und der herkömmliche Prozess sind also langwierig und verursachen auch Emissionen. Und da Vestas bis 2030 CO2-neutral sein und bis 2040 keinen Müll mehr in seiner Produktion verursachen will, suchen das Unternehmen nach Alternativen.

AM beschleunigt Fertigung und reduziert Emissionen

Das Vestas-Team begann mit der Erforschung alternativer Möglichkeiten zur Verbesserung des gesamten Fertigungsprozesses und entschied sich für 3D-Druck zur Validierung von Teilen schon während der Produktion. Im Jahr 2021 startete das Unternehmen erfolgreich sein Direct Digital Manufacturing (DDM) Programm. Das Programm entlastet Fertigungsprozesse, die Abhängigkeit von externen Lieferanten und bietet eine Wissensbasis für die Zusammenarbeit.

Das DDM-Programm umfasst inzwischen bereits über 2000 Vestas Teile. Da das System, das sie nutzen, cloudbasiert ist, können Mitarbeiter an jedem Vestas-Standort – mit wenig oder gar keiner Kenntnis von additiver Fertigung – schnell aus einer beliebigen Anzahl von faserverstärkten Verbundwerkstoffteilen auswählen und auf ihrem lokalen 3D-Drucker drucken. Das hat die Qualität gesteigert.

Einige Beispiele dafür, wie DDM funktioniert, sind die bereits erwähnten TC-Markierungswerkzeuge und Blitzableiter-Rezeptoren. Das TC-Markierungswerkzeug, dessen Herstellung früher Wochen und Tausende von Dollar in Anspruch nahm, wird jetzt

in nur wenigen Tagen hergestellt. Und weil das Werkzeug aus faserverstärktem Onyx, einem haltbaren, leichten Nylon-Mischmaterial, gedruckt wird, wiegen die ehemals metallischen Teile jetzt 85 Prozent weniger als zuvor. Was die Blitzspitzenrezeptoren betrifft, können die lokalen Produktionsstätten sie aus 3D-gedrucktem Kupfer herstellen. Vestas schätzt, dass die Herstellung eines jeden dieser Rezeptoren etwa zwei Tage dauern wird. Vor allem aber muss sich das Vestas-Team keine Sorgen mehr machen, dass Teile die Konformitätsprüfung nicht bestehen. Denn sie werden vor Ort, bei Bedarf, nach spezifischen Plänen neu gedruckt.

3D-Druck wird für Entwicklung und Fertigung entscheidend

Vestas sieht DDM als entscheidend für die Entwicklung neuer Produkte sowie für die Verfügbarkeit von Werkzeugen und Endteilen im gesamten Unternehmen. Im Jahr 2022 wird das Unternehmen mit der Einführung von DDM für die eigenen Mess-Werkzeuge beginnen, an allen 23 Produktionsstandorten. Vestas hat außerdem in einer Partnerschaft mit Wurth ein additives Ökosystem aufgebaut und ein Inventar von Ersatzteilen. Beides unterstützt Lieferanten und den Außendienst dabei, die mit der Digital Forge Plattform hergestellten Ersatzteile, leichter zu warten, zu reparieren und zu betreiben.

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Das Unternehmen will es in Zukunft einfacher für Mitarbeitende machen, an jedem Vestas-Standort mit den richtigen Berechtigungen, einen Teilecode zu scannen oder nach einem Teil in den ERP-Systemen (Enterprise Asset Management und Enterprise Resource Planning) zu suchen und an den richtigen lokalen 3D-Drucker zu senden. Diese zentralisierte Steuerung von Anwendern, Druckern und der Teileprüfung mit Blacksmith und der Eiger Fleet TM, soll qualitativ hochwertige, hochleistungsfähige Werkzeuge und Endverbraucherteile gewährleisten, welche die Aufgaben erfüllen, für die sie entwickelt wurden. Je mehr Vestas die Fertigung im eigenen Haus durch additive Fertigung unterstützt, desto schneller sollen die Produkte auf den Markt kommen und desto mehr Zeit und Geld will das Unternehmen dabei sparen.

* Lutz Feldmann ist als Central Manager EU bei Markforged tätig.

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