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Ecoparts: Ersatzteile kurzfristig im 3D-Druck gefertigt Turbinenrad aus dem 3D-Drucker

| Autor / Redakteur: Max Schärli / Konrad Mücke

Die Sektion Brugg des Schweizer Alpenclubs (SAC) betreibt seit sechzig Jahren auf 2000 m ü. M. ein Kleinkraftwerk für die Gelmerhütte. Schäden durch Kavitation (Erosion) am Turbinenrad vermindern zunehmend die Leistung der Anlage. Ohne Zeichnungen und Daten war ein Ersatzteil herzustellen.

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An der aus Pulver erzeugten Radhälfte werden die Supports – die beim Herstellen die Schaufeln stabilisieren – später entfernt, das Bauteil wird vom Metallträger getrennt und mit dem spiegelbildlichen zweiten Bauteil zum kompletten Schaufelrad verbunden.
An der aus Pulver erzeugten Radhälfte werden die Supports – die beim Herstellen die Schaufeln stabilisieren – später entfernt, das Bauteil wird vom Metallträger getrennt und mit dem spiegelbildlichen zweiten Bauteil zum kompletten Schaufelrad verbunden.
(Bild: Ecoparts AG)

Der Hüttenchef der Sektion Brugg des SAC stellt fest, dass die Generatorleistung des 60-jährigen Kraftwerks abgenommen hat. Schädliche Spannungsschwankungen häufen sich. Für ein neues Turbinenrad wendet er sich an den Inhaber des Fertigungsbetriebs für Feinwerktechnik Samuel Werder AG in Veltheim. Wie man ihn dort informiert, lässt sich das benötigte Ersatzteil nicht spanend fertigen. Man könne es nur giessen – oder 3D-drucken.

Ohne Formen und Vorrichtungen

Ein geeignetes Verfahren zum Herstellen eines Turbinenrads kann der Spezialist für Additive Manufacturing (AM) Ecoparts AG in Hinwil bereitstellen. Das Unternehmen arbeitet mit einem Verfahren, das dem Giessen nahesteht, aber ohne Hilfsmittel betriebsfertige Produkte liefert. Der Auftraggeber, die Sektion Brugg, profitiert von einigen wesentlichen Vorteilen.

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Zum Fertigen des Ersatzteils benötigt man keine Zeichnungen und keine Gussformen. Zudem kann man den Werkstoff frei wählen. Die Form lässt sich exakt nachbilden beziehungsweise optimieren. Für das generierte Turbinenrad entfällt ein Nachbearbeiten, es ist unverzüglich einsatzbereit. Darüber hinaus erweist sich diese Fertigung als besonders wirtschaftlich, und sie überzeugt mit kurzen Durchlaufzeiten.

Der Techniker von Ecoparts hat eine noch relativ gut erhaltene Schaufel vom ausgebauten Turbinenrad in Länge, Breite und Tiefe gemessen, die übrigen Geometrien augenscheinlich auf dem CAD-System zu einer «harmonischen» Schaufel optimiert. Möglich wäre auch ein 3D-Scan des bestehenden Turbinenrads gewesen. Doch infolge der massiven Erosionsschäden wäre die Nachbearbeitung auf dem CAD-System viel aufwändiger gewesen. Die Peltonschaufel wurde, angelehnt an das Original, mehrheitlich intuitiv geformt. Anschliessend wurde aus dieser Schaufel die eine Hälfte des Turbinenrads zusammengesetzt (19 Schaufeln). Diese Radhälfte wurde gespiegelt und mit der ersten Hälfte zusammengefügt. Nun wurden alle Übergangsradien des Doppel-Peltonrades auf dem CAD-System optimiert und Zentrierungsbohrungen eingebaut. Weil die Zentralbohrung ein Zahnprofil aufweist, wurde die Nabe als drittes Bauteil separat gezeichnet, hergestellt und eingeschoben.

Schichtweise generieren

Aus diesen CAD-Daten wurde in additiver Fertigung das Turbinenrad Schicht für Schicht aufgebaut. Als Werkstoff wählte man ein Pulver aus einer korrosi­onsfesten Stahl-Molybdän-Legierung (Legierung 316L, Werkstoff-Nr. 1.4404) für einen besseren Korrosionsschutz. Das Schichtbauverfahren benötigt weder Werkzeuge noch Bauformen, dauert aber für eine Radhälfte rund 50 Stunden. Es entsteht ein Abbild des dreidimensionalen Computerbildes. Im Arbeitsraum der Maschine werden über eine Plattform und eine Beschichterklinge gleichmässige Schichten des gewünschten Werkstoffes – 50 µm dick – über eine Ebene gezogen und mit einem Laserstrahl verschmolzen. So entsteht das Werkstück Schicht um Schicht. Das nicht verbundene Pulver wird nach der Fertigstellung des Bauteils entfernt, gereinigt und kann erneut verwendet werden. Somit wird direkt ein funktionsfertiges Bauteil hergestellt. Dabei fällt kein Werkstoffabfall an.

Der Hüttenchef der Sektion Brugg ist sehr zufrieden. Das neue Turbinenrad wurde in fünfzehn Minuten eingebaut. Der Wasserstrahl der Düsen trifft nun wieder präzis in der Mitte der Schaufeln auf. Das erhöht den Wirkungsgrad und sorgt so in der Hütte für die optimale und konstante Spannung von 230 bis 240 Volt. Mit neuen Düsen, die später eingebaut werden, soll das Resultat noch besser werden. So hat aktuelle, innovative Technik dazu beigetragen, aus einem 60-jährigen Vorbild ein neuwertiges Ebenbild herzustellen. - kmu - SMM

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