Energieteile-Fertigung: Pionierarbeit für eine nachhaltige, erneuerbare Zukunft

Sorgen um Klimawandel und globale CO₂-Werte haben grüne Energie in den letzten Jahren näher an den Fahrersitz gerückt. Laut dem Global Energy Review der Internationalen Energieagentur (IEA) erwarten die meisten Experten, dass Erneuerbare 2021 fast 30 Prozent des gesamten Stroms erzeugen werden, wobei Wind- und Solarerzeugung um 17 bzw. 18 Prozent steigen.

Trotz dieses beeindruckenden Wachstums dominieren fossile Brennstoffe weiterhin den Markt: Die IEA prognostiziert, dass die Kohlenachfrage allein 60 Prozent mehr ausmachen wird als alle Erneuerbaren zusammen. Folglich stehen energiebedingte CO₂-Emissionen vor ihrem zweitgrößten jährlichen Anstieg aller Zeiten und machen pandemiebedingte Reduktionen bei Treibhausgasen zunichte.

Es ist eine dynamische Branche, aber eines ist sicher: Der globale Energieverbrauch – in welcher Form auch immer – wird weiterhin neue Chancen für Werkzeugmaschinenbetriebe und andere diskrete Hersteller schaffen. Pumpen- und Turbinengehäuse, Getriebe, Windmühlenwurzelabschnitte, Bohrloch- und Bohrkomponenten – dies sind nur einige der Teile, die täglich von Energie-OEMs und ihren Tier-Zulieferern produziert werden, viele davon groß, schwer und aus anspruchsvollen Materialien wie Inconel und Duplex-Stahl.

Go Big or Go Home

Große Teile erfordern große Maschinen, große Spannsysteme und große Schneidwerkzeuge – all das verlangt große Investitionen. Klaus Miller, Vice President of Sales bei Absolute Machine Tools Inc., Lorain, Ohio, hilft gerne bei der ersten dieser Investitionen. Er merkte an, dass die Energie- und Luftfahrtmärkte in den letzten zwei Jahren schwach waren, sich aber nun erholen, da das Schlimmste der Pandemie hoffentlich hinter uns liegt.

„Wir sind Importeur von You Ji und anderen Marken von CNC-Maschinen“, sagte Miller. „You Ji rüstet einige ihrer größeren Maschinen mit hydrostatischen Tischlagern aus, was sie bei Energiebauteilherstellern sehr beliebt macht. Denn diese Werkzeugmaschinen können die extrem hohen Lasten in diesem und anderen Zerspanungssektoren bewältigen und bieten dank dieser Eigenschaft exzellente Langzeitgenauigkeit.“

In einem aktuellen Beispiel installierte Absolute ein You Ji Vertikal-Drehmaschine (VTL) mit 4-m-Tisch. Der Kunde bearbeitet große Energiebauteile, die nach dem Anstieg sauberer Energieinvestitionen um 2006 stark kamen, aber etwa ein Jahrzehnt später abflauten, als die Fertigung nach China, Rumänien und andere Niedrigkostenstandorte verlagert wurde. Diese neue Installation könnte eine Trendwende signalisieren.

Absolute installierte zudem früher dieses Jahr eine große Bohrwerksmaschine für einen lokalen Kunden. Obwohl das Shopmanagement die konkrete Anwendung nicht preisgab, sagten sie Miller, sie sei für Energiearbeiten gedacht und müsse eine Tragfähigkeit von 35.000 lbf (155,7 kN) haben. „Sie hatten bereits eine Johnford-Portalfräse, brauchten aber etwas Größeres“, sagte er. „Wiederum bewiesen die hydrostatischen Lager und die schiere Masse der Maschine – 58.967 kg (130.000 lbs) – die richtige Lösung.“

Je schwerer, desto besser

Maschinenmasse ist eindeutig wichtig beim Schwerzerspanen und Streben nach Genauigkeit bei Teilen, die größer sind als ein Pickup-Truck. Miller und andere merkten an, dass wenige Werkzeugmaschinenbauer heute „sie noch so bauen wie früher“ und viele Werkzeugmaschinenbetriebe daher ihre Lucas-, Giddings & Lewis- und andere alte Maschinen mit CNC-Steuerungen nachrüsten. Zwar ist das ein hervorragender Weg, die Lebensdauer einer sicherlich substentiellen Investition zu verlängern, doch kommt der Zeitpunkt, an dem selbst beste Ausrüstung im Vergleich zum modernen Äquivalent hinterherhinkt, egal wie oft sie aktualisiert wurde.

Ein weiterer Weg für Betriebe, diese Investitionen zu maximieren, ist die Nutzung ihrer Großteilebearbeitungsfähigkeiten, um über den Energiemarkt hinaus zu expandieren. Die Rüstungsindustrie ist ein signifikanter Nutzer übergroßer Teile, ebenso wie Bergbau, Landwirtschaft und Bau. Solche Aufträge anzunehmen bedeutet jedoch, dass Betriebe in flexible Werkzeugmaschinen investieren müssen, die sich leicht an eine Vielzahl von Teilen anpassen lassen und Funktionen bieten, die Stillstandzeiten minimieren.

Bernard Otto, Director of Technical Support und Produktmanager für Kiwa Japan und OKK Japan Produkte bei Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., hat mehrere Empfehlungen, wie das gelingt. Er merkte an, dass zahlreiche Methods-Kunden die Fracking-Industrie beliefern und Pumpen, Gehäuse und ähnlich große Komponenten fertigen. Wettbewerbsfähig zu sein bedeutet hier nicht nur, große Materialmengen von Stahlguss- und Schmiedeteilen effizient abzutragen, sondern auch, den Spindelbetrieb dauerhaft aufrechtzuerhalten.

„Hohe Spindelauslastung erfordert, dass der Maschinenbediener 7.711 kg (17.000 lbs) schwere Teile schnell, präzise und vor allem sicher in und aus der Maschine bekommt“, sagte er. „In den meisten Fällen gelingt das am besten mit einem Palettenwechsler.“

Tiefe Bohrungen

Otto wies auch darauf hin, dass ein breiter Drehzahlbereich ähnliche Flexibilität bietet. Viele Bearbeitungszentren in diesem Bereich verfügen über 50er-Kegel-Getriebeköpfe mit nur zwei Bereichen – Hoch- und Niedrigdrehzahl – und enden bei 3.600 min⁻¹. Das schränkt die Fähigkeit ihrer Besitzer ein, kleine Bohrer und Fräser zu nutzen oder Aluminiumlegierungen zu bearbeiten.

„OKK ist einer der wenigen Hersteller, die drei Getriebebereiche und bis zu 6.000 min⁻¹ anbieten, was Kunden erlaubt, sehr aggressiv mit großen Planschneidern zu fräsen und bei Bedarf auch kleinere Schneidwerkzeuge einzusetzen“, sagte Otto. „Das macht sie viel vielseitiger für Betriebe, die eine Vielzahl von Werkstücken fertigen müssen.“

Weitere Merkmale, auf die man achten sollte: hohe Z-Achsen-Vorschubkraft für tiefe Bohroperationen, integrierte Hydraulikanschlüsse für automatisiertes hydraulisches Spannen, und bei Bohrwerken die Möglichkeit, die Quill (W-Achse) zu fixieren, was die Steifigkeit beim Ausfräsen tiefer Taschen erheblich erhöht. Aus diesen und anderen Gründen stimmt Otto mit Absolutes Miller überein: Mit aktueller Werkzeugmaschinentechnologie Schritt zu halten, ist der klare Weg nach vorn für Betriebe, die wettbewerbsfähig bleiben wollen.

Aber vielleicht die wichtigste Empfehlung für Energiehersteller und andere mit schwankender Nachfrage: Maschinen eingeschaltet und voll betriebsbereit halten. Das gilt besonders für den Öl- und Gassektor, der sehr zyklisch sein kann, und für Unternehmen mit Maschinen, die längst abbezahlt sind und zwischen Aufträgen oft untätig stehen.

Sagte Otto: „In solchen Situationen erhält unsere Serviceabteilung oft Anrufe von Kunden, die versuchen, eine Maschine anzuwerfen, die monate- oder jahrelang nicht genutzt wurde, nur um festzustellen, dass eine Achse blockiert ist oder eine elektronische Komponente defekt ist. Deshalb sagen wir Betrieben, sie sollen ihre Maschinen regelmäßig zyklieren, und noch besser, sie in einen präventiven Wartungsplan mit einem autorisierten Händler aufnehmen. Das vermeidet unangenehme Überraschungen, unabhängig von Maschinenmarke, -größe oder Arbeitstyp.“

Konstant spannen

Braden Damman bestätigte die Notwendigkeit hydraulischer Spannung, merkte aber an, dass die zuvor erwähnte integrierte Hydraulik kein Muss ist. Als Application Engineer beim Spannmittelzulieferer Vektek LLC, Emporia, Kansas, bemerkte Damman, dass mehrere zusätzliche Konfigurationsoptionen verfügbar sind, darunter solche, bei denen das Spannmittel selbst für Hydraulik verrohrt ist und von einem externen „Akku“ gespeist wird – einem Gerät, das während der Bearbeitung den Druck im System hält.

Unabhängig vom Ansatz ist hydraulisches Spannen in puncto Konsistenz und Zuverlässigkeit der klare Sieger – wenn nicht im Preis. „In den meisten Anwendungen ist hydraulisch die teuerste Lösung, obwohl die Anfangskosten schnell durch Produktivitätssteigerungen ausgeglichen werden“, sagte Damman. „Es eliminiert die Variation manueller Spannmethoden und ist ein Muss für automatisierte Prozesse.“

Ironischerweise wird viel der großen Energiebauteil-Spannarbeit, bei der Damman assistiert, für Sekundäroperationen benötigt. „Wir sehen etliche Gasturbinenteile mit feinen Details und sehr engen Toleranzen“, sagte er. „In diesen Anwendungen möchte der Kunde das Teil oft auf einer CNC-Schleifmaschine zum Finish spannen und automatisiert haben. Hydraulisches Spannen ist aufgrund seiner hohen Wiederholgenauigkeit fast immer die bevorzugte Methode.“

Larry Robbins, Präsident des Spannmittel-Spezialisten SMW Autoblok Corp., Wheeling, Illinois, ist ein großer Fan wiederholbarer Spannung, merkte aber an, dass es häufig nötig ist, große Teile aufgrund ihrer Variabilität neu zu positionieren. „Ob Schmiedeteil oder Guss – ab einem Durchmesser von etwa einem Meter braucht man fast immer eine Möglichkeit, die Lage im Spannfutter zu justieren“, sagte er. „Wir bieten unabhängige Backenverstellung bei unseren manuellen und hydraulischen Spannfuttern seit wahrscheinlich 25 Jahren, haben diese Fähigkeit in den letzten Jahren aber auch auf unsere elektrisch betätigte Spannproduktlinie ausgeweitet.“

Energetisches Spannen

Robbins erklärte, dass die MM e-motion Spannfutter der Firma ein patentiertes lineares Positioniersystem (LPS) haben, das dem Bediener – automatisch oder manuell – erlaubt, die Teillage in der Maschine via Taststift zu messen, die Positionsinformation an die Steuerung zu senden und das Futter das Teil entsprechend zentrieren zu lassen. Jede Backe wird von ihrem eigenen „E-Motor“ angetrieben und gesteuert, der wiederum von einem induktiven Koppler getrieben wird, was den Einsatz bei stationären oder rotierenden Anwendungen erlaubt. Teile aller Formen und Größen bis 1.250 mm werden aufgenommen, ebenso die Modifikation der Spannkraft während der Bearbeitung.

Wie mehrere andere hier berichteten, haben Robbins und SMW Autoblok in den letzten zwei Jahren Verlangsamungen in Energie- und Luftfahrtsektor erlebt, genießen aber zuletzt einen Aufwärtstrend. Interessanterweise sieht er nun Nachfrage aus der Öl- und Gasindustrie nach Spannfuttern, die je größere Rohre greifen können – eine Herausforderung sowohl für Spanntechnik als auch Werkzeugmaschinen.

„Bisher haben wir die Meisterbacken neu designed, um Kapazität in bestehenden Futtern zu erhöhen, aber nun stehen wir vor komplett neuen Produktdesigns angesichts der Forderung nach Durchgangslöchern von 610 mm (24 Zoll)“, sagte er. „Solch große Durchmesser belasten auch die Spindellager einer Drehmaschine stark. Das können wir durch Steady Rests etwas abmildern, aber auch hier stoßen wir an die Grenzen bestehender Spanntechnik. Energieversorger stehen kurz davor, einen völlig neuen Marktplatz zu schaffen.“

Einigkeit bei Automatisierung

Automatisierungssystemanbieter Fastems LLC USA, West Chester, Ohio, sieht ähnliche Forderungen nach neuer Technologie. Regional Sales Manager Loy McEldowney sagte, der Energiesektor habe traditionell zögerlich automatisierte Teilehandhabung adaptiert, aber diese Denkweise beginne sich dank des anhaltenden Fachkräftemangels zu ändern. „Wie viele Branchen verlieren sie Expertise und haben keine Wahl, als zu automatisieren, wo immer sie können.“

Das erfordert mehrere Dinge. Eines der zuvor beschriebenen Palettenwechsel-Bearbeitungszentren ist ein guter Start, gefolgt von automatisiertem Spannen. Neben den bereits besprochenen hydraulischen und elektronischen Spannsystemen sind auch luft- oder mechanisch aktivierte Nullpunkt-Spannsysteme verfügbar. McEldowney sagte, die Haltebolzen solcher Systeme werden oft direkt an großen Werkstücken montiert, der passende Empfänger an der Palette.

Vielleicht am wichtigsten ist die Entwicklung stabiler, vorhersagbarer Prozesse. Diese Aufgabe kann bei jedem bearbeiteten Teil herausfordernd sein, aber besonders bei der kleinserien, hochvarianten Arbeit, die der Energiefertigung eigen ist. Dennoch tun dies zunehmend mehr Öl- und Gaskomponentenzulieferer.

„Die Investition in Automatisierung und anschließende Prozessentwicklung zu rechtfertigen, erfordert nicht so sehr hohe Volumen wie vielmehr ziemlich wiederholbare Aufträge“, sagte McEldowney. „Für Unternehmen, die langfristige Vereinbarungen mit Kunden haben und sehen, was in den nächsten 18 bis 24 Monaten kommt, ist es viel weniger beängstigend, Geld in dedizierte Spannmittel, Paletten dafür und ein automatisiertes oder sogar halbautomatisiertes Lagersystem zu stecken. Wenn ein Auftrag kommt, laden sie die Palette, rufen das Programm auf und fahren das Teil. Und mit unserem MMS (Manufacturing Management Software) System und integriertem Zellencontroller können sie das mannlose Fahren. Auf jeden Fall macht es selbst Fertigung mit geringeren Volumen sehr effizient.“