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maschine+werkzeug 10/2015

»Die allergrößten Werkzeuge kommen bei der Innenbearbeitung der Gehäuse zum Einsatz.«

Extra Großteilebearbeitung

Interview - Die Großteilebearbeitung stellt sehr hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkzeuge. Thomas Schaarschmidt, Segment Manager Energy bei der Walter AG, erklärt, wie Walter diese Herausforderungen meistert.

Herr Schaarschmidt, für welche Werkstücke aus dem Energiebereich werden Walter-Werkzeuge in der Großteilebearbeitung eingesetzt? Wir haben im Energiebereich bei der Großteilebearbeitung drei Bauteile im Fokus: das Gehäuse von Gas- und Dampfturbinen, die thermische Welle, die in der Turbine sitzt – sowie die Generatorwelle. Die Generatorwellen sind bis zu 15 Meter lang und haben einen Durchmesser von bis zu zwei Meter. Die Turbinenwellen sind etwas kürzer. Die Größten haben eine Länge von zwölf Metern. Mit Beschaufelung beträgt der Durchmesser etwa sechs Meter, ohne Beschaufelung bis zu drei Meter. Da die Gehäuse die Wellen umschließen, sind sie jeweils einen Meter länger als die Wellen. Die Gehäuse bestehen zum Teil aus drei miteinander verschraubten Teilen. Der Durchmesser beträgt etwa zwölf Meter. Die Nuklearkraftwerke und Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke, in denen die Turbinen und Generatoren dieser Größe eingesetzt werden, haben einen Output von eineinhalb bis zwei Gigawatt.

Wie groß sind die größten Werkzeuge, die sie dafür zur Verfügung stellen können? Die allergrößten Werkzeuge kommen bei der Innenbearbeitung der Gehäuse zum Einsatz. Das sind Scheibenfräser mit 1600 Millimetern Durchmesser und einer Schneidbreite bis zu 60 Millimeter. Bei den Glockenfräsern reicht der Durchmesser bis zu 700 Millimeter. Typische Bearbeitungen sind das Fräsen in der Halbschale beim Gehäuse, das Fräsen der Polschlitze am Generator, und bei der Turbine ist es das Fräsen von Schaufelfußprofilen.

Was sind dabei die größten Herausforderungen? Bei der Generatorbearbeitung werden aufgrund der großen Werkzeuge hohe Anforderungen an die Maschinen gestellt in Bezug auf Stabilität und Drehmoment. Ein Hauptkriterium ist die Oberfläche, die sich mit unserem Werkzeug erzeugen lässt. Die Oberflächen erfordern extrem enge Fertigungstoleranzen. Unsere Rotornutenfräser sind modular als Kassettenlösungen aufgebaut. Wir haben hier Planlauftoleranzen von maximal drei hundertstel Millimetern, die wir erreichen müssen. Bei einem Werkzeug mit bis zu 1,4 Meter Durchmesser ist dies eine extreme Herausforderung für unsere Fertigung. Aber genau das ist unsere Kernkompetenz im Großwerkzeugbereich.

Und wie verhält es sich bei den thermischen Wellen? Bei den thermischen Wellen ist die Toleranz bei den Formprofilen die große Herausforderung. Typische Nuten sind hier Tannenbaumprofile. Gefordert wird hier eine Formtoleranz von ±10 Mikrometern. Für ein Wendeplattenwerkzeug mit Werkzeugkörper und Wechselplatten ist es nicht ganz einfach, dies zu erreichen. Walter ist weltweit der einzige Anbieter, der Schlichtfräser mit Wendeplatten für diese Profile fertigt.

Welche Rolle spielen die Schneidstoffe bei der Großteilebearbeitung? Schneidstoffe sind ein großes Thema. Wir versuchen kontinuierlich, unsere Schneidstoffe weiterzuentwickeln und auf die speziellen Anforderungen anzupassen. Ich würde aber sagen, dass in diesem Bereich die Produktivität nicht die Hauptrolle spielt. Es geht eher um Genauigkeit, Prozesssicherheit und Standzeit. Beim Fräsen einer Generatorwelle mit bis zu 15 Meter Länge kann die Wendeschneidplatte nicht nach der halben Nut gedreht oder getauscht werden. Da muss man sich sicher sein, dass die Wendeschneidplatten in der Lage sind, noch einmal 15 Meter zu fräsen.

Stimmen Sie sich mit den Maschinenherstellern in diesem Bereich enger ab? Wir arbeiten mit allen Maschinenherstellern im Bereich der Großteile eng zusammen. Der Maschinenhersteller oder der Endkunde schickt uns die Zeichnungen und 3D-Modelle vom Bauteil, und wir legen dann die Werkzeuge und den Bearbeitungsprozess dafür entsprechend aus. Durch die enge Zusammenarbeit in solchen Projekten haben alle Beteiligten die Möglichkeit, entsprechende Modifikationen an der Maschine, am Bauteil oder eben am Werkzeug vorzunehmen, um das bestmögliche Ergebnis für den Kunden zu erzielen. Meistens ist es aber so, dass die Maschinen von den Kunden angeschafft werden, und die Werkzeuge werden separat gekauft. Komplettlösungen kommen nicht so häufig vor wie zum Beispiel im Automobilbereich.

Woher kommt der größte Teil Ihrer Kunden in diesem Bereich? Unser wichtigster Markt für diese Werkzeuge ist heute China. Es hat hier in den letzten Jahren eine sehr starke Verschiebung gegeben. Ich denke aber, das ist nicht nur im Energiebereich so. In Europa und den USA gibt es noch immer Fertigungen von Turbinengehäusen, Turbinenwellen und Generatorwellen, aber die Investitionen in neue Maschinen beschränken sich häufig auf Ersatzbeschaffungen. Die Maschinen dort sind zum Teil 30 Jahre alt. In China dagegen wurde in den vergangenen Jahren viel investiert – auch von europäischen und amerikanischen Unternehmen, die dort Joint Ventures gegründet haben oder Lizenzen an lokale Unternehmen vergeben haben.

Welche Märkte sind noch wichtig? Neben China sind die Hauptmärkte für uns Russland, Japan und Indien. In den nächsten Jahren sollen hier rund 100 zusätzliche Kernkraftwerke ans Netz gehen. Der Schwerpunkt liegt jedoch ganz klar auf China. Aufgrund der politischen Rahmenbedingungen ist man in Russland derzeit zögerlich mit notwendigen Investitionen. Zum Teil wird sehr viel mit bestehenden Werkzeuglösungen auf alten Maschinen gefräst. Es wird noch viel mit HSS gearbeitet, und es gibt noch viele manuelle und halbmanuelle Arbeitsschritte. In China beobachten wir derzeit einen Trend mit einer stetig steigenden Anforderung an die Qualität – höher als anderswo auf der Welt, gerade in Bezug auf die visuellen Oberflächenqualitäten. Die Kunden sind erst dann zufrieden, wenn zum Beispiel die Wicklungsnut so blank ist, dass man sich darin spiegeln kann.

Ist eine solche Oberflächenqualität technisch denn erforderlich? Ich denke, oftmals ist es nicht erforderlich. Da fehlt den chinesischen Kunden vielleicht etwas das Gespür dafür, ein Werkstück nur so gut zu fertigen, wie es wirklich nötig ist. Alles was darüber hinausgeht, kostet zusätzlich Geld. Wir haben bereits messtechnisch nachgewiesen, dass die Oberfläche schlechter ist, wenn sie spiegelt, aber der Kunde entscheidet ja bekanntlich. Es gibt weltweit etwa zehn Hauptkunden im Energiebereich. In China wird derzeit unter Hochdruck an einer eigenen Turbine entwickelt. Die Arbeiten daran laufen derzeit in Rahmen des chinesischen Nuklearprogramms. Großbritannien verhandelt gerade mit der chinesischen Regierung, den entwickelten Nuklearrotor im Kraftwerk Essex zu installieren, um damit den Wettbewerb im Westen zu fördern. Bisher wurde in China nur unter Lizenz der großen global Player gefertigt.

Wie hoch ist das Fertigungsvolumen weltweit? Während es bei den Turbinenschaufeln weltweit ein jährliches Produktionspotenzial von schätzungsweise fünf Millionen Stück gibt, liegt das Potenzial bei den Generatoren und Turbinen bei rund 1000 Stück. Die Bearbeitungstechnologien sind vorhanden, und ein Scheibenfräser für die Wicklungsnuten ist noch immer das wirtschaftlichste Werkzeug, das es für diese Anwendung gibt. Die Hauptanforderungen für den erfolgreichen Einsatz dieser Technologie sind rein das nötige Drehmoment und die entsprechende Prozessstabilität des Gesamtsystems. Große Innovationssprünge beobachten wir derzeit nicht.

Sind Scheibenfräser wirklich das ultimative Werkzeug, oder gibt es Ideen zu alternativen Lösungen? Große Innovationssprünge gab es vor 20 Jahren, als die Maschinen stabiler wurden und eine Vielzahl an Investitionen getätigt wurde. Damals war Walter mit seinen Scheibenfräsern ein Vorreiter im Energiebereich. Der große Vorteil unserer Lösung ist der modulare Aufbau. Dieser ermöglicht es uns Schrupp- und Schlichtbearbeitung in einem Schnitt mit bis zu 130 mm Schnitttiefe durchzuführen. Hinsichtlich der Anforderungen bei der Oberflächenqualität laufen derzeit Entwicklungsprojekte, in denen wir uns mit möglichen Superfinish-Werkzeugen beschäftigen. Ansonsten sind wir ständig daran, die Schneidstoffe weiterzuentwickeln, um höhere Standzeiten zu erreichen und höhere Genauigkeiten an den Werkzeugen. Wir schauen regelmäßig, wie wir effektivere Werkzeuge produzieren können, um am Bauteil eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Ein Trend, den wir derzeit beobachten, sind Zusatzaggregate an Maschinen mit dynamischen Spindeln zur Trochoidbearbeitung von zum Beispiel Tannenbaumprofilen. Aber auch hier sind wir aktiv und untersuchen die Vorteile dieser Alternative.

Wie hoch ist der Marktanteil von Walter beim Fräsen in diesem Markt? Ich schätze, dass unser Marktanteil bei den Turbinen bei mindestens 50 Prozent liegt. Bei den Generatoren ist er vielleicht noch etwas höher. Wir haben unsere Referenzen im Fräsen und versuchen nun, bei unserem großen Kundenstamm auch Marktanteile bei den Drehoperationen zu gewinnen. Verwendet werden dabei keine Großwerkzeuge, sondern zum Beispiel Stechplatten mit großer Stechbreite. Auch dazu gibt es bei Walter aktuelle Entwicklungsprojekte und erste sehr erfolgreiche Feldversuche.

Was lässt sich an den Werkzeugkosten noch optimieren? Aufgrund der Vielzahl an verschiedenen Profilen benötigen unsere Kunden für die Bearbeitung einer Generatorwelle häufig neue Werkzeugkörper. Wir setzen deshalb mit unseren Kassettenlösungen beim Scheibenfräser auf Modularität. Nächste Schritte sind, das Design der Werkzeugkörper mehr zu standardisieren, um so die Herstellkosten zusätzlich zu senken. Zudem arbeiten wir verstärkt an parametrischen Designkonzepten, um die Konstruktion der Werkzeuge zu automatisieren und somit zu beschleunigen. Der Kunde profitiert davon mit geringeren Preisen und mit schnelleren Lieferzeiten. Ich schätze, dass wir in Zukunft die Lieferzeit im Schnitt um vier Wochen verkürzen können. Für die Turbinenfertigung arbeiten wir an einem modularen Glockenfräserkonzept mit einem einzigen Grundkörper, sodass der Kunde nur noch die Kassetten auszuwechseln braucht. Daraus ergibt sich eine geringere Lagerhaltung für den Kunden, und er kann Werkzeuge kostengünstiger einkaufen. Der Markt ist derzeit sehr unter Druck. Dadurch rückt der Kostenfaktor immer stärker in den Fokus.

  • Bild 1: »Die allergrößten Werkzeuge kommen bei der Innenbearbeitung der Gehäuse zum Einsatz.«

    Bild 1: »Die allergrößten Werkzeuge kommen bei der Innenbearbeitung der Gehäuse zum Einsatz.«

  • »Neben China sind die Hauptmärkte für uns Russland, Japan und Indien. In den nächsten Jahren sollen hier rund 100 zusätzliche Kernkraftwerke ans Netz gehen.« Thomas Schaarschmidt, Segment Manager Energy bei der Walter AG

    »Neben China sind die Hauptmärkte für uns Russland, Japan und Indien. In den nächsten Jahren sollen hier rund 100 zusätzliche Kernkraftwerke ans Netz gehen.« Thomas Schaarschmidt, Segment Manager Energy bei der Walter AG

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Inhaltsverzeichnis
  • 1: »Die allergrößten Werkzeuge kommen bei der Innenbearbeitung der Gehäuse zum Einsatz.«
  • 2: Vita
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Unternehmensinformation

Walter AG

Derendinger Straße 53
DE 72072 Tübingen
Tel.: 07071-701-0
Fax: -212

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