KMU-innovativ Additive Fertigung zur Lebensdauerverlängerung von Bohrgestängen und Bohrköpfen (Addbohr)

Problemstellung
Mit dem sogenannten HDD-Verfahren (Horizontal Directional Drilling) können Rohrleitungen bis zu 600 m ohne Grabenaushub unterirdisch verlegt werden. Das Anwendungsspektrum erstreckt sich auf alle Rohrbaumaßnahmen im Rahmen des Breitbandnetzausbaus, der Gas- Fernwärme- und Trinkwasserversorgung sowie der Verlegung von Abwasserdruckleitungen. Die Bohrgestänge für Horizontal-Bohrmaschinen unterliegen an den Verbindungsstellen sehr hohen Belastungen. Zudem ist der gesamte Übergangsbereich bis zur nächsten Bohrstange verschleißanfällig und muss regelmäßig überprüft werden, um einen Gestängebruch im Bohrloch zu verhindern. Zum sicheren Betrieb der Anlage sind deshalb herstellerseitig Verschleißgrenzen definiert, die beim Erreichen das Auswechseln der Bohrgestänge erforderlich machen. Gegenwärtig werden die Bohrgestänge komplett verschrottet, obwohl sie nur an der kritischen Übergangsstelle unbrauchbar geworden sind. Von einem 300 m Bohrgestängesatz (100 Bohrgestänge) werden nach dem ersten Jahr circa 20 % und nach dem dritten Jahr beinahe alle Bohrgestänge ausgewechselt. Das hat einen hohen Materialverbrauch zur Folge.

Zielsetzung
Das Ziel des KMU-innovativ Projektes Addbohr ist die Entwicklung eines neuartigen Aufarbeitungsverfahrens inklusive Anlagentechnik zur Regeneration der ausgewechselten Bohrgestänge. Die Neuheit des Lösungsansatzes besteht darin, ausschließlich die Verschleißzonen durch eine additive Aufarbeitung zu regenerieren. Bei der additiven Aufarbeitung wird ein drahtförmiger Zusatzwerkstoff durch einen Lichtbogen (vergleichbar mit Schutzgasschweißen) aufgeschmolzen, wodurch ein lagenweiser Aufbau mit hohem Materialausnutzungsgrad erreicht wird.

Vorgehensweise
Das Forschungsvorhaben fokussiert dabei auf zwei Herausforderungen. Zum einen wird für den Zusatzwerkstoff eine geeignete Materialkombination entwickelt, welche alle Anforderungen des im Eingriff befindlichen Bohrgestänges erfüllt. Zum anderen wird ein Verfahren erarbeitet, das gleichbleibende mechanisch-technologische Parameter von der ersten bis zur letzten Aufbereitungslage gewährleistet. Dazu muss das additive Aufbereitungsverfahren so gestaltet werden, dass durch den hohen Temperatureintrag des Lichtbogens keinerlei Unregelmäßigkeiten oder Materialschäden entstehen. Die prototypische Umsetzung erfolgt durch den Aufbau der additiven Fertigungsanlage und Durchführung von umfangreichen Testzyklen mit einem 50 m Bohrgestängesatz.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Das neu entwickelte Verfahren inkl. der lichtbogenbasierten additiven Fertigungsanlage wird auf der Grundlage des Firmenportfolios im beteiligten Unternehmen hergestellt und vertrieben. Das Geschäftsmodell sieht sowohl die Dienstleistung zum Regenerieren der Bohrgestänge als auch eine internationale Lizenzvergabe vor. Damit wird es zukünftig möglich sein, bis zu 99 % des Rohrmaterials wiederzuverwenden und somit nicht nur Kosten, sondern vor allem auch Ressourcen zu sparen. Dieses Verfahren kann des Weiteren auf die mehrlagige additive Werkzeugaufarbeitung übertragen werden. Ein denkbarer Einsatzbereich ist z. B. der Schwermaschinenbau mit der Aufarbeitung von großen Wellen- und Lagersitzen sowie Baggerschaufeln.

• H & E Bohrtechnik GmbH
• Technische Universität Ilmenau