Process expertise in turbine manufacturing

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Aerospace

Prozess-Know-how im Turbinenbau

Im Aerospace & Turbine Competence Center (ATCC) in Rorschacherberg entwickelt, testet und optimiert Starrag anspruchsvolle Bearbeitungsprozesse. Seit Kurzem werden dort unter anderem Casings für mobile Gasturbinen gefertigt – ein Auftrag von Siemens Energy Indianapolis, USA. Für Starrag im Wesentlichen ein R+D-Projekt.

Schon seit vielen Jahrzehnten sammelt Starrag am Stammsitz in Rorschacherberg Prozess-Know-how im Turbinenbau. Ein Wissen, das sich die Luftfahrt- und Energiebranche weltweit zunutze macht. Denn die Schweizer Maschinenbauer sind in erster Linie Lieferant von Fertigungslösungen. Klaus Struebel, Starrag Sales Director Asia Pacific und Turbinenexperte, erklärt: »Die meisten Kunden wollen nicht nur unsere Premium-Maschinen. Sie kaufen sie in Verbindung mit funktionierenden, effizienten Prozessen – oftmals eingebunden in kompletten Fertigungssystemen. Das erfordert stets aktuelles Prozess-Know-how.«

Dieses gewinnt Starrag unter anderem im Rahmen von Aufträgen über Test- und Kleinserien, mit denen Kunden zum Beispiel Produktionsspitzen abfangen. Ein aktueller Auftrag, der zurzeit im ATCC gefertigt wird, stammt von Siemens Energy Indianapolis. Für das US-amerikanische Unternehmen übernimmt Starrag die Komplettbearbeitung von Gehäusen für die Gasturbinen SGT-A05 und KB7X, die bloss in geringen Stückzahlen aufgelegt werden.

Learning by doing

Laut Dr. Markus Ess, Director Technology der Starrag Business Unit HPS, hat dieser Auftrag einen besonderen Hintergrund: »Wir sind ja eigentlich kein Teilezulieferer, auch wenn wir bereits Erfahrung in der Casing-Fertigung haben. Da der Siemens- Auftragsumfang aber die gesamte Prozesskette umfasst, vom Rohteil bis zu den zusammenbaufertigen Gehäuseteilen, sahen wir die Chance, damit unser Prozess- Know-how zu erweitern und zu verbessern. Denn immer häufiger wird diese umfangreiche Expertise von unseren Kunden nachgefragt.«

Auch für Siemens Energy ist klar, dass Starrag kein klassischer Zulieferer ist. Die Anfrage kam eher aus einer Notlage heraus zustande. Denn für den bisherigen Lieferanten war diese Kleinserienproduktion wirtschaftlich nicht mehr darstellbar, und es fand sich kein Ersatzdienstleister mit der erforderlichen Kompetenz und Maschinenausstattung. Starrag dagegen kann für den Großteil der Arbeiten sein ATCC in Rorschacherberg nutzen, das für die Gehäusezerspanung beste Voraussetzungen bietet. Auf rund 2.000 m2 ist es mit den neuesten vier- und fünfachsigen Starrag-Bearbeitungszentren ausgestattet. Zudem sind erfahrene Applikationsspezialisten und Entwickler vor Ort. »Aus wirtschaftlicher Sicht ist es von Vorteil, dass wir für den Siemens-Auftrag nicht in neue Maschinen investieren müssen«, sagt Markus Ess. »Für die Siemens-Casings nutzen wir die im ATCC vorhandenen, zum Fräsen und Drehen geeigneten STC-Maschinen vom Typ STC 1250MT und STC 800MT, je nach Casinggröße und Anforderung.«

Casing-Fertigung für Siemens – was ist zu tun?

Gasturbinen bestehen in der Regel aus mehreren Stufen: aus dem Lufteinlass (gegebenenfalls mit Booster), dem meist mehrstufigen Verdichter, der Brennkammer, der eigentlichen Turbine, welche die thermische Energie der heißen Gase in mechanische bzw. elektrische Energie umwandelt, und dem Austritt. So auch die Siemens SGT-A05, die als Ummantelung sechs verschiedene Gehäuseteile (Casings) benötigt. Für die neuere Generation KB7X kommt noch ein weiteres Casing dazu. Jedes der rotationssymmetrischen Casings muss andere Ansprüche erfüllen, ist von verschiedener Größe und Geometrie. Auch die Materialien unterscheiden sich je nach den vorherrschenden Temperaturen. Im Kaltbereich wird Titan, im Heißbereich (bis 2.000 °C) Inconel verwendet.

Der Vertrag sieht vor, dass Starrag die Gehäuseelemente für Gasturbinen produziert und jeweils als Shipsets nach Amerika liefert. Unter einem solchen Shipset ist ein kompletter Casing-Satz für eine Turbine zu verstehen.

Ein Mix aus kleinsten Stückzahlen und großer Diversität

2025 sind zehn Shipsets zu liefern. »Wir haben uns mit Siemens auf zwei Lieferungen von je fünf Shipsets verständigt«, berichtet Klaus Struebel. »Das heißt für uns, dass wir jedes der sieben verschiedenen Casings in Losgröße 5 fertigen und damit den Aufwand fürs Rüsten und die Wärmebehandlung in Grenzen halten.« Dennoch ist eine ausgefeilte Produktionsplanung erforderlich, die neben der Maschinenbelegung die ergänzenden Prozesse berücksichtigt. »Wir sind in diesem Fall nicht nur für Dreh-, Fräs- und Bohrbearbeitungen verantwortlich, sondern auch für zusätzliche EDM- und Schweißarbeiten, Wärmebehandlungen sowie Mess- und Prüfprozesse«, erklärt der Technologie-Verantwortliche Markus Ess. »Genau dieses Prozessketten-Wissen, das wir hier generieren, ist für uns sehr wertvoll.«

Kurze Vorbereitungszeit

Lediglich sechs Monate standen für die Technologieentwicklung zur Verfügung. Nicht üppig, angesichts der Vielzahl an Casings, die sehr unterschiedliche Anforderungen stellen. Das beginnt bei den schwer zerspanbaren Werkstoffen und setzt sich in einer eingeschränkten Zugänglichkeit zu bestimmten Merkmalen wie Bohrungen fort. Um Anbauteile wie Schaufeln exakt positionieren zu können, müssen enge Toleranzen eingehalten werden. Zudem gibt es Flächen, die hohe Oberflächengüten erfordern. Neben den Zerspanungsprozessen, die auf den Starrag-Maschinen ablaufen, sind ergänzende Arbeiten auszuführen. So sind bei Tieflochbohrungen Drucktests erforderlich. Schweiß- und Erodieraufgaben, Wärmebehandlung und Härteverfahren sowie die Cerakote-Beschichtung werden an externe zertifizierte Partner übergeben. Gleiches gilt für den geforderten Prüfprozess Fluorescent Penetrant Inspection (FPI).

Markus Ess weist darauf hin, dass »viele dieser Operationen Zwischenprozesse sind, die zeitlich außerhalb unserer direkten Kontrolle stattfinden und den Inhouse-Prozess unterbrechen. Doch unseren erfahrenen Mitarbeitern ist es gelungen, eine gut funktionierende Prozesskette zu implementieren und den Auftrag zur Zufriedenheit unseres Kunden abzuwickeln.« Klaus Struebel ergänzt: »Da unser Kunde in Amerika sitzt, haben wir ein komplexes Project-Management-System entwickelt, mit wöchentlichen Online-Meetings, in denen die Fortschritte besprochen und kontrolliert werden. Denn Siemens will genau wissen, wie die Arbeit vorangeht und ob wir uns im Zeitplan befinden.«

Selbstentwickelte und -geschliffene Hartmetalfräser tragen zu optimierter Zerspanungsleistung bei.

Kritische Einmalkosten

Die Technologieentwicklung war auch wirtschaftlichen Vorgaben unterworfen. Schließlich wollte Starrag nicht nur einen Know-how-Gewinn verbuchen. So stellten die Einmalkosten einen wichtigen Faktor dar, zu denen die Spannvorrichtung zu zählen ist. Stanislav Stankevich, Senior Applikation Engineer, erklärt: »Ursprünglich hatten wir vier verschiedene Vorrichtungen geplant, was allerdings die Wirtschaftlichkeit des Projekts gesprengt hätte. Daher haben wir uns ein innovatives, modulares Spannkonzept einfallen lassen – eine Kombinationsvorrichtung, die es uns erlaubt, alle sieben Gehäusetypen mit einer Vorrichtung aufzuspannen. « Dazu ist auf der Palette eine Matrix aufgezeichnet, die Spannpositionen für jedes Casing vorgibt. Hierbei werden stets die gleichen Nuten genutzt, aber unterschiedliche vertikale Standard- Spannelemente verwendet. Das erlaubt einem erfahrenen Bediener, die Vorrichtung relativ schnell umzurüsten.

Für einen effizienten Zerspanungsprozess waren weitere Eigenentwicklungen erforderlich. Stanislav Stankevich, der über großes Fachwissen im Bereich Casings verfügt, übernahm das Einfahren des Prozesses und der Werkzeuge sowie das Optimieren der Vorrichtung. Er berichtet: »Um auch in schwer zugänglichen Bereichen bohren und fräsen zu können, entwickelten unsere Fachleute extraschlanke Winkelköpfe, die durch eine spezielle Schnittstelle eine besonders hohe Steifigkeit aufweisen und der Schwerzerspanung genügen.« Selbstentwickelte und -geschliffene Hartmetalfräser tragen zu optimierter Zerspanungsleistung bei, und auch weitere Werkzeuge wie Tieflochbohrer und Rückwärtssenker stammen aus der Starrag-eigenen Ideenschmiede.

Am Ende des Fertigungsprozesses wird jedes Teil vorschriftsmäßig mit einer Seriennummer markiert. Es werden Bolzen, Stifte, Nutensteine und zugelieferte Komponenten montiert. Dann wird das Shipset in eine Mehrwegverpackung platziert, in der bereits die Rohlinge geliefert wurden. In dieser geht das Casing-Set zu Siemens in die USA, wo die Turbine fertig montiert und getestet wird.