Produktionssysteme

Kollisionsfrei zur künstlichen Sonne

Beim Aufbau des Fusionsexperiments Wendelstein 7-X ist der zur Verfügung stehende Bauraum so knapp, dass die Wissenschaftler einen hohen Aufwand treiben müssen, um die Kollisionsfreiheit während des späteren Betriebs der Anlage sicherzustellen. Denn Temperaturen von -269 °C und hohe Magnetfelder verformen die Bauteile sehr stark. Gute Dienste leistet dabei das CAD/CAM/CAE-System Catia, das auch die teils abenteuerlichen Freiformflächen und die knapp 150.000 Instanzen beherrschbar macht.

Wenn es gelingt, die Kernfusion technisch umzusetzen und zu nutzen, wäre das ein wichtiges Standbein, um weg von fossilen Brennstoffen und auch der Kernspaltung zu kommen. Im Gegensatz zu letzterer geht es bei der Fusion auch nicht darum, eine Kettenreaktion kontrolliert ablaufen zu lassen – eine der Risiken der Kernspaltung. Ein Fusionskraftwerk würde, vereinfacht gesagt, bei einer Störung einfach ausgehen. Hier besteht die Schwierigkeit vor allem darin, bei Temperaturen um die 100 Millionen Grad Celsius ein Plasma zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Eine interessante Bauform für ein Funktionskraftwerk ist der Stellarator, dessen Konzept bereits vor knapp 60 Jahren in Amerika der Astrophysiker Lyman Spitzer in Princeton skizzierte.

Gegenüber anderen Bauformen wie dem Tokamak (Projekt Iter in Südfrankreich) ermöglicht ein Stellarator prinzipiell den Dauerbetrieb, was nach Angaben der Wissenschaftler eventuell eine technisch einfachere Lösung darstellt. Um das Plasma stabil einzuschließen, wird aber ebenfalls ein magnetisches Feld benötigt – schraubenförmig verdrillt, nur so bleiben alle Teilchen ‚auf Kurs‘. Beim Stellarator genügen dafür um das Plasmagefäß ‚gewundene‘ äußere Spulen, allerdings mit sehr komplizierten geometrischen Formen. „Was die Physiker entzückt, ist deshalb für die Maschinenbauer ein Albtraum“, berichtet Dr. Dirk Hartmann, Bereichsleiter Konstruktion und Konfigurationskontrolle am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), das am Standort Greifswald bis 2014 die Montage des dann weltweit größten Stellarator-Experiments Wendelstein 7-X abschließen will. „Zwar lassen sich die Freiformflächen noch beherrschen, doch der begrenzte Bauraum und die erforderlichen Toleranzen fordern uns heraus.“

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Die Schwierigkeit besteht nicht nur darin, dass der Abstand der 70, teils abenteuerlich geformten Spulen zueinander an manchen Stellen nur 10 mm beträgt, sondern dass die Umgebungsbedingungen im Betrieb stark von Normalbedingungen abweichen. So werden im Kryostaten – dem wärmeisolierenden Gefäß für die Spulen – diese auf -269 °C abgekühlt. Denn erst dann werden die Spulen supraleitend – eine Voraussetzung, um möglichst effizient die hohen Magnetfelder zu erzeugen. „Unter deren Einfluss verformen sie sich aber um bis zu 20 Millimeter“, erläutert Dirk Hartmann. „Prinzipiell wäre die Verformung sogar noch größer, würden sich nicht die Spulen gegeneinander abstützen.“

Allein die Konstruktion der Abstützungen erwies sich schon als besonders schwierig, weil man bei solch tiefen Temperaturen im Vakuum nicht mehr mit herkömmlichen Schmiermitteln arbeiten kann und dennoch unter allen Umständen das Auftreten des Stick-Slip-Effekts zu vermeiden ist. „Passiert das doch, können die Spulen lokal ihre Supraleitfähigkeit verlieren, was dazu führt, dass der Strom in ihnen herunter gefahren werden muss“, fährt der Wissenschaftler fort. Passiere das, erhitzten sich riesige Widerstandsbänke auf rund 400 °C, denn die Situation sei energetisch vergleichbar mit einem 270 km/h schnellen ICE 3, der in 3 s auf Null abbremse.

Um den Stick-Slip-Effekt zu verhindern, setzen die Greifswalder auf leicht konvex gekrümmte Stützen aus Aluminiumbronze, die sich auf einer polierten und mit Molybdändisulfid überzogenen Gegenfläche abstützen. Bei der Frage, wie sich die ebenfalls kritische Kollisionsfreiheit aller Bauteile in dem begrenzten Bauraum des Kryostaten sicherstellen lässt, kam ihnen der Umstieg auf das 3D-CAD/CAM/CAE-System Catia V5 von Dassault Systèmes zu Hilfe. „Catia ermöglicht es uns, viel größere Baugruppen zu visualisieren und dann auch noch zu manipulieren“, berichtet Dirk Hartmann. „Gleichzeitig bietet das System aber auch eine Reihe von Möglichkeiten hinsichtlich der Konfigurationskontrolle.“ Insbesondere bei der Berücksichtigung der Verformungen der Spulen und anderer Bauteile im Betrieb leistet das den Forschern gute Dienste.

„Im Kryostaten befinden sich ja neben dem Plasmakanal und den 70 supraleitenden Spulen zahlreiche weitere Komponenten wie Rohrleitungen oder Beobachtungsöffnungen, die dort ihren Platz finden müssen“, erläutert Dirk Hartmann. „Die Anzahl dieser Komponenten und die Toleranzräume für Fertigung, Montage sowie die spätere Bewegung im Betrieb sind nicht miteinander kompatibel.“ Toleranzen benachbarter Teile ließen sich nicht einfach addieren – dafür reiche der Platz nicht. „Wir müssen deshalb nicht nur die Verformungen im Betrieb berücksichtigen, sondern eben auch Fertigungs- und Montagetoleranzen“, ergänzt Dr. Christophe Baylard, am IPP verantwortlich für die Konfigurationskontrolle. In einem ersten Schritt wurden alle Spulen nach der Fertigung per Lasertechnik vermessen. „So wissen wir, welche Form sie wirklich haben“, fährt Baylard fort. Diese Form (as built) lasse sich dann zunächst mit dem CAD-Modell (as designed) vergleichen.

Im folgenden Schritt werden dann per FE-Analyse die Verformungsvektoren im Betrieb ermittelt. In Catia können die Wissenschaftler mit Hilfe des Vektorfeldes und auf Basis eines vorhandenen CAD-Modells so ein neues Modell der verformten Komponente erstellen, ‚Morphing‘ nennen das die Greifswalder. Üblicherweise dient diese Funktion von Catia, der ‚Realistic Shape Optimizer‘, dazu, die Rückfederung von Bauteilen beim Tiefziehen zu berechnen und entsprechend auszugleichen oder den Verzug von Kunststoffteilen zu berücksichtigen. Die IPP-Forscher erhalten auf diese Weise Modelle der Spulen im Betrieb (in operation), und zwar auch auf Basis der real gefertigten Geometrien. „Die vielen verschiedenen Modelle erschweren zwar zunächst die Arbeit“, betont Christophe Baylard, „aber die In-Operation-Modelle können wir nun digital zusammenbauen und kritische Engstellen erkennen – und anschließend überlegen, wie wir verhindern, dass es zu Berührungen kommt.“ Das gleiche kann man auch für die Montage im Ausgangszustand machen. Solch ein digitaler Versuchsaufbau (Digital Mock-Up) in Catia erleichtert zudem Aufgaben wie etwa das Verlegen der zahlreichen Rohrleitungen – was unter den extrem beengten Platzverhältnissen nicht ganz einfach ist.

Zukünftig könnte für die Greifswalder auch eine PLM-Lösung interessant werden, wie sie Dassault mit der V6-Architektur bietet. „Hier stehen wir zwar erst am Anfang der Diskussion, aber viele unserer Prozesse hätten wir damit deutlich einfacher gestalten können“, sagt Dirk Hartmann. Auch wenn im Sommer 2014 die Anlage in Betrieb geht, ist bereits abzusehen, dass nach Abschluss der Experimente die Arbeit weiter geht. Themen wie das Änderungs- oder das Anforderungs-Management werden dann weiterhin eine zentrale Rolle spielen. Etwa bei der Frage, wie sich die bei der Fusion entstehende Wärme – die man ja später nutzen will – sinnvoll abführen lässt. Zusätzlich muss dann ein Wasserkreislauf installiert werden, der sich wiederum kollisionsfrei einbauen lassen muss.

Auch Probleme mit der Vergabe von Aufträgen außer Haus hofft man noch besser in den Griff zu bekommen. „Obgleich viele Dinge bereits vorab spezifiziert wurden, war die Abstimmung mit den Unternehmen für uns sehr aufwändig, weil eben nachträglich zahlreiche Änderungen vorgenommen werden mussten“, betont Hartmann. „Allein die Frage der CAD-Formate war dabei ein Stolperstein.“ Zu Beginn der Auftragsvergabe hatte man sich deswegen mit den Zulieferern darauf verständigt, dass diese CAD-Daten im Format des vor Catia am IPP eingesetzten CAD-Systems liefern sollten, um einen Vergleich der Daten zu ermöglichen. „Meistens hatten diese Unternehmen aber ein anderes CAD-Programm im Einsatz, so dass sehr viel Zeit beim Konvertieren der Daten verloren ging“, so Hartmann abschließend. „Dieser Zeitverzug war teilweise so groß, dass sich bei uns schon wieder neue Änderungen ergeben hatten, bevor die CAD-Datei aus dem Umlauf zuvor uns erreicht hatte.“ Da sei es am Ende sehr schwierig gewesen, herauszufinden, welche Daten denn nun korrekt waren. „Mittlerweile haben wir aber einige Erfahrung mit neutralen Formaten wie Step und Iges – aber erst, nachdem wir viel Arbeit investiert haben, um die optimalen Parameter einzustellen.“ Das verdeutlicht, warum man dazu ein PLM-System mit seinen Versionierungs-Möglichkeiten benötigt. Nach Angaben von Dassault ist diese Arbeitsweise die in der V6-Architektur integrierte Basis-Technologie, genauso wie die Unterstützung der Standort-übergreifenden Zusammenarbeit. -co-

Dassault Systemes Deutschland GmbH, Stuttgart Tel. 0711/49074-0, http://www.3ds.com/de

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), Teilinstitut Greifswald Tel. 03834/88-1000, www.ipp.mpg.de

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