Beständige Urmodelle für Rotorblätter der Windkraftindustrie

Passt haargenau

Der Kugelfräser wirft auf einer Länge von gut 30 m feine Späne einer grauen, ausgehärteten Expoxidpaste zur Seite und hinterlässt eine perfekte Oberfläche
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Windkraft erreicht nicht zuletzt dank immer größerer Offshore-Anlagen eine neue Dimension. Dabei spielt die Effizienz der Rotorblätter eine entscheidende Rolle. In aufwändigen Studien wird das optimale Profil errechnet, welches die Flügel später in Serie bekommen sollen. Voraussetzung dafür ist eine hochpräzise, beständige Urform.

Der Beitrag stammt von der Knierim Tooling GmbH, Kiel

Bis zu 400 x pro Sekunde dreht sich der Kugelfräser und strahlt trotz lautem Surren stoische Ruhe aus. Dabei wirft er auf einer Länge von gut 30 m feine Späne einer grauen, ausgehärteten Expoxidpaste zur Seite und hinterlässt eine perfekte Oberfläche. Beim Schlichten ist der Formenbau schon in den Endphase. Anschließend legen Bootsbauer von Knierim noch Hand an und vollenden mit Nassschleifen eine Positivform, die der Zielvorgabe weit unterhalb der zulässigen Toleranz gleich kommt. Das bescheinigen vor dem Versiegeln mit Speziallack immer wieder externe Prüfingenieure.
In dieser Qualität hat Knierim jüngst die Urform des bisher größten Rotorblatts der Welt mit einer Gesamtlänge über 70 m gebaut. Das Modell wurde in sechs Teilen gefertigt: Spitze, Mittelstück und Wurzel, jeweils mit Druck- und Saugseite. Am Ende mussten beide Gesamtformen wie aus einem Guss sein – und passten haargenau. „Trotz unserer Routine ist die Abnahme immer noch ein spannender Moment“, verrät Steffen Müller, einer der Geschäftsführer des Unternehmens. „Und wenn es dann keine Beanstandungen gibt, ist das gesamte Team schon stolz.“
Mit exakten Urmodellen begeistert Knierim nicht nur Kunden aus der Windkraftindustrie. Auch für die Luft- und Schifffahrt werden Laminierformen und große Industrieteile gefertigt. Last but not least entstehen auch die Rumpfformen der Segel- und Motoryachten von Knierim Yachtbau unter dem gemeinsamen Dach. Der Mittelständler greift dabei auf zwei Fünf-Achs-Fräsen des Modells „Poseidon“ von CMS aus Italien zurück, die einen Arbeitsbereich von 34 beziehungsweise 32,5 x 8,5 x 4 m haben. Hinzu kommt eine 6 m x 5 m x 2 m große CMS-Fünf-Achs-Maschine, die bereits Autoteile oder Gießereimodelle in Blockmaterial beziehungsweise EP-Paste sowie in Aluminium gefräst hat. Die Fräsen stehen in einer erschütterungsfreien ehemaligen Papierlagerhalle am Nordostseekanal.
Der Formenbau beginnt zunächst am Computer, an dem Knierim aus der virtuellen Geometrie (3D-Datei des Kunden) eine Zeichnung für ein Stahlgestell als Unterkonstruktion entwirft. Dieses wird von einer Schlosserei just in time geliefert. Aus der „kleinen Fräse“ kommen die Holzspanten, die an das Gerüst geschraubt schon die spätere Form des Rotorblatts erahnen lassen. Zwischen die Spanten werden Querleisten genagelt, die dann mit dünnen Sperrholzplatten belegt werden.
Raffinierter Vakuumtest unter doppelter PE-Folie
Dann wird die erste Schicht GfK-Laminat gleichmäßig aufgetragen. Um sicher zu gehen, dass das Laminat auch 100 % dicht ist und später beim Infusionsverfahren das Harz und der Härter gleichmäßig verteilt werden und keine Lufteinschlüsse entstehen, hat Knierim einen raffinierten Vakuumtest unter doppelter PE-Folie ausgetüftelt. Dieser wird ebenfalls von einem externen Prüfer abgenommen. Alle 10 min misst er die Druckzunahme, also das Nachlassen des Vakuums. Liegt sie nur bei wenigen Hektopascal, ist der Test einmal mehr mit Bravour bestanden.
Auf das Laminat kleben die Kieler Balsaholz als Kernmaterial einer Sandwichkonstruktion. Bevor eine der großen Fünf-Achs-Fräsen zum Einsatz kommt, wird das Gestell mit seinem Aufbau exakt ausgerichtet. Müller: „Der Nullpunkt ist wichtig, damit die Maschine an allen Stellen sauber über das Material geht und nicht ins Leere läuft oder gar hindurch fräst.“ Er bleibt dann für alle weiteren Arbeitsschritte gleich. Um Fehlläufe auszuschließen, gibt es beim Schruppen des Balsas Testläufe in mehreren Streifen. Sie dienen gleichzeitig dazu, die Programmeingaben in die Software der Fräse zu überprüfen, ehe diese dann vollautomatisch ihr Werk verrichtet.
Ist der Sandwichkern geschruppt, folgt die Innenlage Laminat. Während diese aushärtet, wird die Fräse umgebaut und für das Bepasten vorbereitet. Über einen Schlauch wird hochwertige Epoxidpaste aus einem Vorratsbehälter in genau dosierter Menge zum Fräskopf gepumpt, der die graue Masse in mehrere Zentimeter breiten Streifen über der Form verteilt. „Das wäre manuell kaum in dieser gleichbleibenden Stärke möglich“, so Müller, ist aber für den Ablauf und ein einwandfreies Ergebnis die beiden Hauptfräsgänge, das Schruppen und das Schlichten der Paste, wichtig.
Diese dauern zusammen meist drei bis vier Tage und sind eine Wissenschaft für sich. Während im Randbereich der Urform mit einem Schaftfräser gearbeitet wird, sind es auf der Fläche radiale Kugelfräser. Das Schruppen erledigt ein VHM-Fräser (Vollhartmetall), das Schlichten ein Wendeplattenfräser. Der Kopf läuft in der Länge und Breite mit einer Vorschubgeschwindigkeit bis 85 m/min, in der Höhe 45 m/min. Durch die Drehungen in der B-Achse (110°) und C-Achse (300 °) ist an jeder Stelle des Modells ein optimaler Anstellwinkel des Fräsers gewährleistet.
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