Additive manufacturing (AM), also known as 3D-printing is an automated manufacturing process in which the component is built layer upon layer from a predefined 3D computer model. In contrast to conventional manufacturing processes where a vast volume of material is wasted due to machining, AM only uses the material that the component consists of. In addition to material savings, the method has a number of potential benefits. Two of these are (1) a large design freedom which enables the production of complex geometries and (2) a reduced compexity in supply chain as parts can be printed on-demand rather than be kept in stock. This master thesis has been performed at Vattenfall Wind Power and aims to investigate the feasibility to reproduce and/or to refurbish one or two spare parts on a wind turbine by AM and if it can introduce any practical benefits. Components with a high failure rate and/or with an suitible design for AM have been investigated. A rotating union or fluid rotary joint (FRJ) was selected for further analysis. A comprehensive background study has been conducted. A current status of metal AM is described as well as a comparison between conventional and additive processes. Furthermore, current and future applications for AM witihin the wind turbine industry are presented. The mehodology "reverse engineering", main components in a wind power plant including the fluid rotary joint as well as fluid dynamics are also treated in the background study. As a part of the process, a fluid rotary joint with worse historical failure data was disassembled and examined. In order to find other design solutions that contributes to a better and more reliable operation, another better performing fluid roraty joint was investigated. Since detail drawings and material information are missing for the examined units, reverse engineering has been carried out to gather details of the designs. A concept for the first unit has been developed, in which improved design solutions has been introduced and a number of changes have been implemented in order to minimize material consumption and to adapt the design for AM. The concept has been evaluated by the use of numerical methods. Costs and build time have also been estimated for the developed concept. This project has illustated that it is feasable to manufacture spare parts by the use of AM. The developed concept demonstrates several improvements that are not possible to achieve with conventional manufacturing processes. Nevertheless, a number of limitations such as insufficient build volume, costs as well as time cosuming engineering effort and post-proccessing methods are present for AM. These restrictions, in combination with lack of 3D-models, limits the possibility to make use of the technology. However, the future looks bright, if the technology continues to develop and if subcontractors are willing to adapt to AM it will probably have a major breakthrough within the windpower industry. / Additiv tillverkning, "additive manufacturing" (AM) eller 3D-printing är en automatiserad tillverkningsmetod där komponenten byggs lager för lager från en fördefinierad 3D datormodell. Till skillnad från konventionella tillverkningsmetoder där en stor mängd material ofta bearbetas bort, använder AM nästintill endast det material som komponenten består utav. Förutom materialbesparingar, har metoden ett flertal andra potentiella fördelar. Två av dessa är (1) en stor designfrihet vilket möjliggör produktion av komplexa geometrier och (2) en möjlighet till en förenklad logistikkedja eftersom komponenter kan tillverkas vid behov istället för att lagerföras. Detta examensarbete har utförts på Vattenfall Vindkraft och har till syfte att undersöka om det är möjligt att tillverka och/eller reparera en eller två reservdelar genom AM och om det i så fall kan införa några praktiska fördelar. En kartläggning av komponenter med hög felfrekvens och/eller som kan vara lämpade för AM har genomförts. Av dessa har en roterande oljekoppling även kallad roterskarv valts ut för vidare analys. En omfattande bakgrundsstudie har utförts. En nulägesorientering inom området AM för metaller redogörs, här redovisas även en generell jämförelse mellan konventionella och additiva tillverkningsmetoder. Vidare behandlas aktuella och framtida användningsområden för AM inom vindkraftsindustrin. I bakgrundsstudien behandlas också arbetssättet "reverse engineering", huvudkomponenter i ett vindkraftsverk inklusive roterskarven samt flödesdynamik. Under arbetets gång har en roterskarv med sämre driftshistorik undersökts. I syfte att finna andra konstruktionslösningar som bidrar till en säkrare drift har en bättre presenterande enhet från en annan tillverkare granskats. Då viss detaljteknisk data och konstruktionsunderlag saknas för de undersökta enheterna har "reverse engineering" tillämpats. Ett koncept har sedan utvecklats för den första enheten där förbättrade konstruktionslösningar har introducerats samtidigt som en rad konstruktionsförändringar har gjorts i syfte att minimera materialåtgången och samtidigt anpassa enheten för AM. Konceptet har sedan evaluerats med hjälp av numeriska beräkningsmetoder. För det givna konceptet har även kostnad och byggtid uppskattats. Arbetet visar på att det är möjligt att ta fram reservdelar till vindkraftverk med hjälp av AM. Det framtagna konceptet visar på ett flertal förbättringar som inte kan uppnås med konventionella tillverkningsmetoder. Emellertid finns det en rad begränsningar såsom otillräcklig byggvolym, kostnader och tidskrävande ingenjörsmässigt arbete och efterbehandlingsmetoder. Dessa förbehåll i kombination med avsaknad av 3D-modeller begränsar möjligheterna att nyttja tekniken i dagsläget. Framtiden ser dock ljus ut, om tekniken fortsätter att utvecklas samtidigt som underleverantörer är villiga att nyttja denna teknik kan AM få ett stort genombrott i vindkraftsindustrin.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-209654 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Wahlström, Niklas, Gabrielsson, Oscar |
| Publisher | KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | MMK 2017:98 MKN 191 |
Page generated in 0.0073 seconds