Top story

3D metaalprinten windmolencomponenten straks goedkoper dan lassen?

ORNL en Vestas tonen de meerwaarde van 3D metaalprinten verbindingselementen aan

Op korte termijn zijn de kosten om grote verbindingselementen voor de structuur van een windmolen te 3D printen vergelijkbaar met die van het lassen van de dragende constructie. Op termijn zal additive manufacturing van grote windmolencomponenten competitiever zijn. Dat zeggen onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in een onderzoek samen met windturbinebouwer Vestas. Nu reduceert AM de doorlooptijd al tot vijf dagen.


De doorlooptijd van projecten in de windenergie industrie zijn lang. Dat komt mede doordat de productie van de grote structuren waarop de turbines worden geplaatst, duur zijn om te maken en veel productietijd vergen. ORNL heeft daarom samen met Vestas en enkele andere projectpartners in een demonstratieproject onderzocht of het 3D printen van de dragende verbindingselementen de kosten en de doorlooptijd omlaag brengt. Deze onderdelen verbinden de draagbalken waarop onder andere de elektrische modules worden geplaatst.

Doorlooptijd: 5 dagen bij 3D printen versus 13 weken voor een gelast onderdeel

Een van de verbindingselementen die bij het ORNL zijn geprint. Hiermee is aangetoond dat de DED-technologie levensvatbaar is voor toepassingen in de productie van windmolens.

Drie verschillende scenario’s voor AM

De Amerikaanse onderzoekers hebben drie scenario’s onderzocht waarin AM een rol speelt bij de productie van de windmolencomponenten. In het eerste hebben ze het verbindingselement 3D geprint van een vezelversterkte kunststof (ABS 20% gevuld met koolstofvezels). Het materiaal wordt daarna geïnfiltreerd met een epoxyhars. In het tweede scenario worden met de grote kunststofprinter van ORNL de gietvormen en -mallen geprint. Deze worden vervolgens gebruikt om zandmallen te maken zodat men daarmee de onderdelen kan gieten. En de derde aanpak is het direct 3D printen van de metalen componenten, maar dan met DED-technologie.

Optimalisatie van design

Het onderdeel is allereerst geoptimaliseerd. Ook hiervoor zijn meerdere oplossingen ingezet, waaronder de software van ANSYS en de generatieve ontwerpsoftware van Autodesk. In de derde strategie is Optistruct gebruikt. De gewichtsbesparing die men heeft gerealiseerd schommelt tussen de 40 en 50 procent. Uiteindelijk is het metalen onderdeel met een oppervlak van 1 meter bij 40 centimeter in 115 uur geprint op de MBAAM printer van het onderzoeksinstituut, een Wire Arc AM systeem met ABB-robot en Lincoln Electric R500 Power lasunit. Hier komen nog 2 uur set-up tijd en 2 uur post-processing bij. Deze techniek blijkt het beste resultaat op te leveren.

Geprint onderdeel doorstaat belastingtesten ruimschoots

Net zoals het gietstuk kan het AM-stuk (152 kilogram) alle belastingen doorstaan. Het onderdeel is uiteindelijk belast met maximaal 280 kN voor twee armen en 175 kN voor de andere drie, meer dan 7 keer de belasting die gevraagd was. Ondanks een lichte vervorming, is het onderdeel in tact gebleven. De twee metalen componenten doorstonden alle testen. Het composietonderdeel toonde metaalgebreken, alhoewel de engineers dit denken te kunnen voorkomen met een aanpassing aan het ontwerp.

Deze windmolencomponenten zijn 3D geprint en kunnen belastingen aan tot 280 kN, veel meer dan nodig,

Het prijskaartje nu

Het 3D printen met Metal BAAM levert onderaan de streep een prijskaartje op van ruim $14.000. Dit is vijf keer duurder dan een gelast exemplaar. En zelfs 14 keer duurder als men het onderdeel seriematig kan lassen. Maar: 3D printen gaat wel in net geen 5 dagen, vergeleken met de 13 weken die het kost om hetzelfde onderdeel van losse componenten te lassen door een toeleverancier in India. In het onderzoek wordt dan ook geconcludeerd dat er situaties denkbaar zijn waarin de hogere kosten voor 3D printen te rechtvaardigen zijn. Bijvoorbeeld als prototypes 95% eerder beschikbaar zijn. Of als certificatie daarmee sneller kan gebeuren.

… en in de toekomst

In de nabije toekomst kunnen de kaarten er overigens heel anders gaan uitzien, schrijft ORNL in een rapport. Verwacht wordt dat de hoeveelheid materiaal die gesmolten wordt per tijdseenheid 50% meer zal worden. Als dan materiaalkosten halveren, net als operationele kosten, dan wordt 3D printen competitiever. Op langere termijn kan de technologie wel eens zeer competitief worden vergeleken met het lassen van de windmolencomponenten, zeggen de ORNL onderzoekers.

Back to top button