Urmodelle für Rotorblätter

Die Windkraft als regenerative Energiequelle erreicht nicht zuletzt dank immer größerer, ertragreicher Offshore-Anlagen eine neue Dimension. Dabei spielt die Effizienz der Rotorblätter eine entscheidende Rolle. In aufwändigen Studien wird das optimale Profil errechnet, welches die Flügel später in der Serienproduktion bekommen sollen. Voraussetzung dafür ist der Bau einer hochpräzisen, beständigen Urform. Genau dies leistet das Kieler Unternehmen Knierim in einer außergewöhnlichen High-end-Präzision zehntelmillimetergenau – bei 70 Metern Länge.

Die Knierim Tooling GmbH hat ihren Ursprung im Yacht- und Bootsbau. Der Bau von Yachten ist seit jeher mit der Konstruktion und Herstellung großer Formen, zum Beispiel für Schiffsrümpfe, verbunden. Knierim hat sich auf diesem Gebiet durch jahrzehntelange Familientradition und Erfahrung eine herausragende Kompetenz erworben. Dieses Können findet bereits seit Langem auch in der Herstellung großer Industrieteile für Flugzeuge, Schiffe, U-Boote und jetzt auch für Windkraftanlagen seine Anwendung.

Bis zu 400 Mal pro Sekunde dreht sich der Kugelfräser an der Spindel der 4 Meter langen Z-Achse und strahlt trotz seines laut vernehmlichen Surrens bei der Arbeit stoische Ruhe aus. Dabei wirft die Maschine auf einer Länge von gut 30 Metern feine Späne einer grauen, ausgehärteten Expoxidpaste zur Seite und hinterlässt eine schier perfekt ausgeglichene Oberfläche. Beim so genannten Schlichten ist der Formenbau schon in der Endphase. Anschließend legen erfahrene Bootsbauer der als Yachtwerft bekannt gewordenen Firma Knierim noch Hand an und vollenden mit Nassschleifen eine Positivform, die der Zielvorgabe weit unterhalb der zulässigen Toleranz quasi gleich kommt. Das bescheinigen vor dem Versiegeln mit Speziallack immer wieder die externen Prüfingenieure, die eine zweitägige kompromisslose Vermessung der Formteile vornehmen und dokumentieren.

Rotorblatt mit 70 Meter Länge

In dieser Qualität hat Knierim jüngst die Urform des bisher größten Rotorblatts der Welt mit einer Gesamtlänge von mehr als 70 Metern gebaut. Das Modell wurde in sechs Teilen gefertigt, der Spitze, dem Mittelstück und der Wurzel, jeweils mit Druck- und Saugseite. Am Ende mussten die beiden Gesamtformen wie aus einem Guss sein – und passten haargenau. „Trotz unserer Routine ist die Abnahme immer noch ein spannender Moment“, verrät Steffen Müller, neben Gunnar Knierim einer der beiden Geschäftsführer des Unternehmens, das außerdem Hochseeyachten wie den ersten deutschen America’s Cupper (2006) und derzeit auch das größte sonnenenergiebetriebene Boot der Welt, den Riesen-Katamaran PlanetSolar, baut. „Und wenn es dann stets keine Beanstandungen gibt, ist das gesamte Team schon stolz“, sagen die Chefs.

Arbeitsbereiche von 34 x 8,5 x 4 Meter

Mit ihren exakten Urmodellen begeistert die Knierim Tooling GmbH nicht nur Kunden aus der weltweiten Windkraftindustrie. Auch für die Luft- und Schifffahrt werden Laminierformen und große Industrieteile gefertigt. Und last but not least entstehen auch die Rumpfformen der individuellen Segel- und Motoryachten aus dem eigenen, renommierten Hause Knierim Yachtbau unter dem gemeinsamen Dach. Der mittelständische Betrieb aus der schleswig-holsteinischen Landeshauptstadt greift dabei auf inzwischen zwei hochmoderne Fünf-Achs-Fräsen des Modells Poseidon von ‚CMS’ aus Italien zurück, die einen Arbeitsbereich von 34 x 8,50 x 4 Meter haben. Hinzu kommt eine dritte, 6 x 5 x 2 Meter große ‚CMS’-Fünf-Achs-Maschine, die bereits Autoteile, Gießereimodelle und Kunstskulpturen in Blockmaterial bzw. EP-Paste sowie auch in Aluminium gefräst hat. Die Fräsen stehen in einer vollkommen erschütterungsfreien, ehemaligen Papierlagerhalle am Nordostseekanal, der einen weiteren logistischen Standortvorteil für Schwerlasttransporte darstellt.

Flügelform nach Bootsbaumanier

Der Formenbau beginnt zunächst am Computer, an dem Knierim aus der virtuellen Geometrie (einer 3D-Datei des Kunden) eine Zeichnung für ein Stahlgestell als Unterkonstruktion entwirft. Dieses wird von einer Schlosserei in der Region just in time geliefert. Aus der ‚kleinen Fräse’ kommen die Holzspanten, die an das Gerüst geschraubt schon die spätere Form des Rotorblatts erahnen lassen. Zwischen die Spanten werden wie im klassischen Bootsbau Querleisten genagelt, die anschließend mit dünnen Sperrholzplatten belegt werden. Bereits hierbei spielt die Erfahrung aus dem Bootsbau, mit dem Knierim 1965 begann, einem gelungenen Prozess in die Karten.

Das gilt auch für das gleichmäßige Aufbringen der ersten Schicht GfK-Laminat. Um ganz sicher zu gehen, dass das Laminat auch 100 Prozent dicht ist und später beim Infusionsverfahren das Harz und der Härter gleichmäßig verteilt werden und keine Lufteinschlüsse entstehen, hat Knierim einen raffinierten Vakuumtest unter doppelter PE-Folie ausgetüftelt. Dieser wird ebenfalls von einem externen Prüfer abgenommen und festgehalten. Alle zehn Minuten misst der die Druckzunahme, also das Nachlassen des Vakuums. Liegt sie nur bei wenigen Hektopascal (vormals Millibar), ist der Test einmal mehr mit Bravour bestanden. „Eine bessere Motivation gibt es für die Mannschaft gar nicht“, sagt Steffen Müller, der das Lob der Kunden mit neuen Aufträgen an die Belegschaft weitergibt.

Mit dem exakten Nullpunkt beginnt das Fräsen

Auf das Laminat kleben die versierten Handwerker Balsaholz als Kernmaterial einer Sandwichkonstruktion. Bevor eine der großen Fünf-Achs-Fräsen zum ersten Mal zum Einsatz kommt, wird das Gestell mit seinem Aufbau exakt ausgerichtet. Müller: „Der Nullpunkt ist wichtig, damit die Maschine an allen Stellen sauber über das Material geht und nicht ins Leere läuft oder gar hindurch fräst.“ Er bleibt dann für alle weiteren Arbeitsschritte gleich. Um Fehlläufe auszuschließen, gibt es beim Schruppen des Balsas Testläufe in mehreren Streifen. Sie dienen gleichzeitig dazu, die Programmeingaben im CAD/CAM System Work NC zu überprüfen, ehe der Fräser dann vollautomatisch sein Werk verrichtet.

Ist der Sandwichkern geschruppt, folgt quasi die Innenlage Laminat. Während diese aushärtet, wird das Bearbeitungszentrum am Spindelkopf umgebaut und für das Bepasten vorbereitet. Über einen Schlauch wird hochwertige Epoxidpaste aus einem Vorratsbehälter in genau dosierter Menge zum Fräskopf gepumpt, der die graue Masse in mehrere Zentimeter breiten Streifen über der Form verteilt. „Das wäre manuell kaum in dieser gleichbleibenden Stärke möglich“, so Müller, ist aber für den Ablauf und ein einwandfreies Ergebnis die beiden Hauptfräsgänge, das Schruppen und das Schlichten der Paste, wichtig.

450 Kilometer Fräserbahn in 4 Tagen

Diese dauern zusammen meist drei bis vier Tage und sind eine Wissenschaft für sich. Während im Randbereich der Urform mit einem Schaftfräser gearbeitet wird, sind es auf der Fläche radiale Kopierfräser (Kugelfräser). Das Schruppen erledigt ein Vollhartmetall-Fräser, das Schlichten ein Wendeplattenfräser. Der Kopf läuft in der Länge und Breite mit einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu 85 Metern pro Minute, in der Höhe 45 m/min. Durch die Drehungen in der B-Achse (110 Grad) und C-Achse (300 Grad) ist an jeder Stelle des Modells ein optimaler Anstellwinkel des Fräsers gewährleistet.

Wenn sich einige Zeit später die Flügel in einem Windpark drehen, vermag kaum ein Beobachter zu erahnen, wie viel Entwicklungsaufwand und Hochtechnologie in einer ‚modernen Windmühle’ stecken. Für die Gewinnung von regenerativer Energie, also Öko-Strom zu Gunsten einer sauberen Umwelt und Schonung des strapazierten Weltklimas dürften sich langfristig jedoch jegliche Mühen lohnen. In dieser Zukunftstechnologie ein Rädchen am Wagen zu sein, auch darauf ist Knierim mit seinen 70 Mitarbeitern ein bisschen stolz.W

www.knierim-tooling.de

www.cms-maschinen.de