3D-Druck

Autodesk, Faro und Ramlab fertigen Schiffspropeller additiv

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Das 3D-Druck-Feldlabor Ramlab (Rotterdam Additive Manufacturing LAB) beschäftigt sich mit additiven Fertigungstechniken. Unter anderem druckte das Labor einen Schiffspropeller. Zum Einsatz kam ein hybrider Fertigungsansatz: Die Schiffsschraube wurde im 3D-Verfahren gedruckt und dann mit herkömmlichen CNC-Frästechniken fertiggestellt. Mit dabei als Software-Partner ist Autodesk, für die Formstabilität des Propellers sorgt Scan-Technologie von Messtechnikspezialist Faro.

Karl Osti, Industry Manager Manufacturing bei Autodesk

Inhaltsverzeichnis

1. Ziel ist es, Arbeitsabläufe zu automatisieren
2. Weitere 3D-Druck-Projekte in Arbeit
3. Inspektion spielt entscheidende Rolle

 

Ein durchaus denkbares Alltagsszenario aus der Handelsschifffahrt: Der Kapitän eines 50.000 Tonnen schweren Containerschiffs steht unter Zeitdruck. Der 100.000 Euro teure Bronzepropeller des Schiffs wurde in der Nacht durch Treibgut beschädigt. Mit einem Anlegeplatz an Europas größtem Seehafen Rotterdam denkt er über eine unangenehme Kalkulation nach: Ausbau des Propellers unter Wasser: 35.000 Euro oder mehr; Versand an den Originalhersteller zur Reparatur: 10.000 Euro oder mehr. Propeller-Reparaturarbeiten, zuzüglich Versandkosten des Ersatzpropellers von Seattle nach Rotterdam: weitere Tausende Euro. Anschließend addiert er die Kosten für die Ausfallzeiten des im Hafen angedockten Schiffes für mindestens 20 Tage. Sollte er jetzt lieber schon den Spediteur kontaktieren? Abhilfe kann hier Ramlab schaffen: Das Rotterdamer Additive Manufacturing Labor kann buchstäblich einen neuen Propeller drucken. Die 2016 in Betrieb genommene Anlage fertigte Ende 2017 den weltweit ersten, zugelassenen Propeller seiner Klasse nach dem Wire-Arc-Additive-Manufacturing- oder auch WAAM-Verfahren. Dabei handelt es sich um einen Hochleistungsprozess zur Metallabscheidung, bei dem bis sechs Kilogramm Metall pro Stunde abgelagert werden können. Der zu 100% gedruckte Schiffspropeller ist auch als WAAMpeller bekannt. „Die zylindrische Welle stellt das Basissubstrat dar, auf das ein konischer Kegel im WAAM-Verfahren abgeschieden wird“, sagt Kelvin Hamilton, Senior Technical Consultant bei Autodesk, der eng mit dem Labor zusammenarbeitet. Nachdem die konische Nabe vorbereitet ist, werden die Blätter einzeln und Schicht für Schicht abgetragen, bis sich der vollständige Propeller gebildet hat.

Ziel ist es, Arbeitsabläufe zu automatisieren

Anders sieht es bei einem Reparaturauftrag aus. Hier müssen die Ingenieure den beschädigten Teilabschnitt entfernen, eine Fräsbahn erstellen, das neue Teil drucken und dann die Endbearbeitung – Schleifen oder Fräsen – durchführen, um die Reparatur abzuschließen. „In der Handelsschifffahrt wäre dies typischerweise ein manuelles oder robotergestütztes Schleifen mit anschließendem manuellem Polieren durch einen Mitarbeiter“, ergänzt Hamilton. Das Labor und seine Partner sind bestrebt, so viel wie möglich der beiden Arbeitsabläufe zu automatisieren. Erste Erfolge für das Konsortium waren die Entwicklung, Produktion, Prüfung und Zulassung des WAAMpellers durch Bureau Veritas, die globale Schiffsinspektions- und Zertifizierungsgruppe. Wie lange dauert es also, einen Propeller zu drucken? Die Bauzeit variiert je nach Material, Teilgröße und anderen Faktoren wie der Anzahl der Druckmaschinen. Könnte der Prozess auf mehrere Propeller in Serienproduktion hochskaliert werden? Mit einem einzigen Roboter wäre die Durchlaufzeit für mehrere Propeller zu langsam und unrentabel. Mit zahlreichen Maschinen, die gleichzeitig drucken, ist es möglich, die Produktivität zu verbessern, sagt Hamilton. Für einen typischen „kleinen“ kommerziellen Propeller mit einer Masse von 180 bis 200 kg, wie dem WAAMpeller, braucht es 200 Stunden – etwa anderthalb Wochen –, um diesen ohne Nachbearbeitung zu drucken. „Dies war das erste Mal, dass wir das Verfahren ausprobiert haben; es gibt also noch viel Spielraum, den Prozess und die Produktivität zu verbessern“, ergänzt er. „Wir könnten ein oder zwei Propeller in zwei Wochen bauen.“

Das Gießen ist ein besseres Verfahren, wenn man mehr als zehn Einheiten herstellen möchte. Jedoch kann es vier bis sechs Monate dauern, bis die neuen Propeller ankommen. Hierbei entstehen die meisten Kosten: Wenn die Frachtschiffe an einem Hafen festsitzen, bis die neuen Ersatzteile ankommen.

Die Einrichtung ist ein Vorbild für das Konzept der lokalisierten Nischenproduktion. Um solche Ausfallzeiten zu vermeiden, könnte es weitere „Ramlabs“ in Rio de Janeiro, Tokio, Hamburg oder Sydney geben. Die Alternative wäre eine Lieferkette mit Lagern an strategischen Standorten voller Ersatzpropeller in Hunderten von Varianten, die möglicherweise nie benötigt werden. Daher ist es effizienter, teure Teile nur auf Abruf zu drucken – dies entspricht auch dem Businessplan des Rotterdamer Additive Manufacturing Labors.

Weitere 3D-Druck-Projekte in Arbeit

Ramlab ist derzeit ein Forschungs- und Entwicklungszentrum mit dem Ziel, die besten Fertigungsverfahren und das bestmögliche Know-how zu entwickeln. Vincent Wegener, Geschäftsführer des Labors, sagt: „Wir befinden uns in der Phase der Perfektionierung der Drahtschweißtechnik. Unsere langfristige Vision ist es, Bauteile auf Abruf herzustellen und zu reparieren.“ Und es sind nicht nur Propeller im Druck möglich. Das Zentrum arbeitet auch an Projekten, die im Bereich der Offshore-Technik und Marineindustrie zum Einsatz kommen wie Ruder, Streben und Hebewerkzeuge. Und Wegener weist auf einen weiteren Vorteil von WAAM hin: Es ermöglicht die Herstellung von Hohlteilen. Vergangenes Jahr kündigte das Labor ein Projekt mit dem niederländischen Offshore-Engineering-Unternehmen Huisman an, um einen großen hohlen Offshore-Kranhaken in dieser Technik herzustellen. Der von Huisman entworfene Vier-Pin-Haken spart an Materialeinsatz und Fertigungszeit. Das für die Propeller verwendete Material ist eine Nickel-Aluminium-Bronze-Legierung. Aber jedes Metall, das als Draht zum Schweißen hergestellt wird, kann in WAAM verwendet werden. Dies beschränkt sich nicht nur auf Anwendungen für die Marine. „Sowohl in der Luft- und Raumfahrtindustrie als auch im Bauwesen wächst das Interesse an RAMLABs Dienstleistungen – jede Branche, die große und teure Teile herstellt, ist geeignet“, sagt Wegener.

Inspektion spielt entscheidende Rolle

Dass der gedruckte Propeller seine Form beibehält, ist entscheidend, denn die Flügelgeometrien sind so präzise ausgelegt, dass das beste Verhältnis von Drehbewegung für den Vorwärtsschub erreicht werden kann. An dieser Stelle kam Faro ins Spiel, das auf Messtechniklösungen spezialisierte Unternehmen mit langjähriger Erfahrung in der Messung additiv gefertigter Teile. Der Faro ScanArm wurde eingesetzt, um den Propeller genau zu scannen und zu prüfen, ob beim Schweißen oder „Drucken“ eine Verformung aufgetreten ist. Der Vorteil der Scan-Technologie, dem so genannten Blue-Laser-Scanning, besteht darin, dass sie ein Substrat berührungslos auf einer glänzenden Oberfläche messen kann, erklärt Bart Rook, Vertriebsingenieur Benelux und Skandinavien bei dem Messtechnikspezialisten, der für das Scannen der Propeller verantwortlich war. Die Lösung misst praktisch jede Oberfläche, einschließlich polierter Oberflächen, mit einer Genauigkeit von 50 bis 60 µ, eine höhere Toleranz als die Propelleranwendung benötigt, die bei etwa 0,5 mm liegt. Das Scannen erfolgt in verschiedenen Phasen des Fertigungsprozesses, aber hauptsächlich während der Nachpolierphase. Für Rook liegt der Vorteil gegenüber den Systemen der Wettbewerber darin, eine harte Sonde für die Ausrichtung mit dem Scanning zu kombinieren. „Wir haben eine Messtasterausrichtung an der Maschine vorgenommen, die genauer ist als das Scannen, wobei wir diese als Basisreferenz verwendet haben, sodass wir später mit dem ScanArm die Rotorblätter anhand dieser Referenz scannen konnten“, sagt Rook. Die aus der Lösung gesammelten Messdaten werden für die Verwendung in der 3D-Messsoftware Power Inspect von Autodesk exportiert. Damit wurden die Scan-Daten mit der erwarteten 3D-CAD-Geometrie verglichen, um zu sehen, ob das neue Teil mit der Designvorgabe übereinstimmt. Insgesamt zeigten die Scans eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem Ausgangsteil und dem im CAD-Verfahren angefertigten Bauteil.

Sie veranschaulichten auch Bereiche, in denen der Abscheideprozess verbessert werden kann.

Für das Projekt kooperierte das Rotterdamer Additive Manufacturing Labor mit vielen Beteiligten wie dem Softwareunternehmen Autodesk, dem Schiffsbauunternehmen Damen Shipyards, dem Marinetechnologie-Spezialisten Promarin und mit den Schweißpartnern wie Valk Welding und Lincoln Electric. Eine Herausforderung war daher vor allem das Management des Inputs der vielen Beteiligten. Außerdem musste Ramlab herausfinden, wie sich die Materialeigenschaften bei der Herstellung großer Teile ändern würden sowie die Konstruktionsgarantien nach so vielen Stunden Schweißarbeiten. Dazu musste man noch die Zulassung von Bureau Veritas und anderen Industriezertifizierungsstellen erhalten. „Die größte Hürde war, dass dies noch nie zuvor gemacht wurde“, sagt Wegener.

Der Rotterdamer Hafen ist der Hauptinvestor der Einrichtung und zieht den größten Nutzen aus dem Projekt.

Hunderte von Schiffen passieren jeden Monat den Hafen, von denen einige kritische, dringende Reparaturen benötigen, die keine lokale, schnelle Lösung in Aussicht haben.

Wegener sagt, dass das AM-Labor die WAAM weiter vorantreiben wird und ist auf der Suche nach neuen und breiteren Anwendungen, einschließlich Luft- und Raumfahrt. „Noch können wir nicht alle Teile auf Abruf drucken, das ist aber das Ziel.“ jg

www.autodesk.de

www.faro.com/de

www.ramlab.com

Details zur 3D-Druck-Software von Autodesk:

hier.pro/7qczZ

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