Als ein Kunde aus der Halbleiterbranche auf der Suche nach Dichtungen ohne Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) für seine äußerst kritische Anwendung an Greene Tweed (GT) herantrat, machte sich das kompetente Team aus Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern sofort an die Arbeit. Es entwickelte maßgeschneiderte, PFAS-freie Elastomere der nächsten Generation, die die extremen Anforderungen des Kunden an Reinheit und Leistung erfüllen und das Potenzial haben, das bisherige FKM in dieser Anwendung zu übertreffen. Ursprünglich für die Halbleiterfertigung entwickelt, sind diese PFAS-freien Dichtungslösungen vielversprechend für viele Branchen, die vor ähnlichen Nachhaltigkeits- und Leistungszielen stehen . Die Wasserstoffkompression bringt Materialien an ihre Grenzen. Sein niedriges Molekulargewicht erfordert, dass Zentrifugalkompressoren mit extremen Drehzahlen betrieben werden, die über das hinausgehen, was herkömmliche Metalllaufräder aushalten können. Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelte ein Team von Greene Tweed in der Schweiz ein geschlossenes Laufrad aus Verbundwerkstoff, das eine rekordbrechende Spitzengeschwindigkeit von 688 m/s erreicht und damit die Grenzen herkömmlicher Metalllaufräder nahezu verdoppelt, die typischerweise bei Geschwindigkeiten von bis zu 360 m/s bei geschlossenen Ausführungen und 500 m/s bei offenen Ausführungen vor dem Bersten betrieben werden.    

In Anerkennung dieser Leistung verlieh Greene Tweed (GT) unseren renommierten Innovationspreis, mit dem außergewöhnliche Bemühungen zur Erweiterung der Grenzen von Innovation und Zusammenarbeit gewürdigt und belohnt werden, an das dreiköpfige Team, das hinter der Entwicklung steht: Samuel Stutz, Technologiemanager; Sébastien Kohler, leitender Wissenschaftler; und Lionel Germanier, Ingenieur II. 

Kurz nach der Sonderveranstaltung, bei der der Geschäftsführer des Geschäftsbereichs „Structural and Engineered Components“ George Rawa ihnen an unserem Standort in Yverdon-les-Bains, Schweiz, die Auszeichnung überreichte, setzten wir uns mit dem Gewinnerteam zusammen, um mehr über das Laufrad aus Verbundwerkstoff und dessen Auswirkungen auf den Ausbau groß angelegter Infrastrukturen für saubere Energie zu erfahren.  

 1. Fangen wir doch damit an, wofür Sie ausgezeichnet werden. Können Sie uns mehr überdas PEEK-Verbundwerkstoff-Laufrad und dessen Auswirkungen auf die Branche der sauberen Energienerzählen?   

Samuel Stutz: Weltweit gibt es große Bestrebungen, industrielle Prozesse und den Verkehr zu dekarbonisieren, um den Anstieg des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre zu begrenzen. Unternehmen, die beispielsweise Glas, Fliesen, Ziegel, Beton oder Stahl herstellen, sind alle auf eine heiß brennende Flamme angewiesen, die derzeit mit Erdgas betrieben wird. Wasserstoff scheint ein potenzieller Ersatz für diese kontinuierlichen Prozesse zu sein. Aus diesem Grund planen viele Regionen enorme Investitionen in Wasserstoffpipelines. Es zeigt sich jedoch, dass dies viele erhebliche technische Herausforderungen mit sich bringt. 

Die einzige Herausforderung, die wir mit dieser Innovation gemeistert haben, ist die kontinuierliche Verdichtung von Wasserstoff in einem Zentrifugalkompressor. Da Wasserstoff das leichteste Molekül ist, sind für einen effizienten Betrieb des Laufrads unglaublich hohe Drehzahlen (tatsächliche Spitzengeschwindigkeit) erforderlich. Während aktuelle Laufräder aus Metall mit Spitzengeschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit in Luft rotieren können, benötigt Wasserstoff Geschwindigkeiten, die mehr als doppelt so hoch sind. Zentrifugalkräfte würden Metalllaufräder schon lange vor Erreichen dieser Werte zerreißen. Nur dank der außergewöhnlichen Festigkeit und des geringen Gewichts von Verbundwerkstoffen lassen sich diese extremen Bedingungen erreichen.  

Sébastien Kohler: Zwar ist die Idee, das höhere Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht von Verbundwerkstoffen in einer Laufradanwendung zu nutzen, nicht neu, doch die tatsächliche Herstellung eines Bauteils, das den Erwartungen gerecht wird, ist aufgrund der damit verbundenen komplizierten Verarbeitung wesentlich komplexer. Dank des fundierten Fachwissens unseres Teams im Bereich der Verarbeitung thermoplastischer Verbundwerkstoffe und seiner Kreativität ist es uns gelungen, das Potenzial dieser Materialien in einer Anwendung mit derart komplexer Geometrie voll auszuschöpfen.  

2. Können Sie uns etwas über den Entstehungsprozess des Laufrads erzählen, der zu dieser Auszeichnung geführt hat?   

Lionel Germanier: Es war kein kurzes oder unkompliziertes Projekt. Wir mussten mehrere Iterationen durchführen, Coupon-Tests durchführen und mehrere Runden von Prozessverbesserungen durchlaufen. Ich arbeite seit meinem Eintritt bei Greene Tweed im Jahr 2020 an diesem Projekt, daher ist es wirklich befriedigend, diese Anerkennung für all die Anstrengungen zu erhalten, die das Schweizer Team unternommen hat, um unser Ziel einer Spitzengeschwindigkeit von 600 m/s zu übertreffen. 

Wir haben zunächst mit einem anderen Konstruktionsansatz begonnen, doch die Ergebnisse fielen nicht so gut aus wie erwartet. Wir mussten an der Faserverlegung feilen und die richtige Architektur finden, die den hohen Belastungen standhält, denen das Laufrad während des Tests ausgesetzt ist. 

Auch die Montage des Bauteils in der Prüfmaschine ist von großer Bedeutung. Bei hohen Drehzahlen dehnt sich alles aus, daher muss das Laufrad in der Drehachse gehalten werden, da es sonst unausgewuchtet ist und zusätzliche Belastungen am Bauteil sowie Vibrationen verursachen kann. Wir haben viel Zeit damit verbracht, Ideen zu sammeln und zu simulieren, welchen Einfluss verschiedene Konstruktionen in diesem komplexen Belastungsfall haben werden.   

3. Wie würden Sie die Auswirkungen beschreiben?   

Sébastien:Diese Innovation ist ein entscheidender Schritt zur Verwirklichung einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft, ganz gleich, ob der Wasserstoff direkt verbraucht wird oder als Mittel zur Speicherung und/oder zum Transport von Energie aus anderen Quellen dient. So oder so werden sehr große Mengen an Wasserstoffgas erzeugt und transportiert werden, um erneuerbare Energien zu unterstützen.  

Damit der Einsatz solcher Zentrifugalkompressoren bei so hohen Gasdurchsätzen wirtschaftlich rentabel ist, benötigen diese Zentrifugalkompressoren schneller drehende Laufräder, um reines Wasserstoffgas komprimieren zu können. Ohne dieses Laufrad müsste Wasserstoff mit schwereren Gasen gemischt werden, um eine Verdichtung zu ermöglichen, und die Gase müssten dann vor der Verwendung wieder getrennt werden, was mit erheblichen Kosten und Komplikationen verbunden wäre. 

Darüber hinaus sind Zentrifugalkompressoren derzeit auch durch Einschränkungen hinsichtlich des Laufradmaterials in bestimmten anderen bestehenden Anwendungsbereichen wie der Verdichtung von Methan, überkritischem Kohlendioxid oder Ammoniak begrenzt. Ein Laufrad aus Verbundwerkstoff könnte auch in diesen Fällen Abhilfe schaffen, indem es das Verdichtungsverhältnis jeder Stufe erhöht und so die Konstruktion kleinerer, kostengünstigerer Maschinen mit weniger Stufen ermöglicht.   

4. Wie stellen Sie sich die Flugbahn dieses Laufrads vor?  

Sébastien:Wir haben noch viel Arbeit vor uns, um das Materialverhalten unserer Verbundwerkstoffe in einer solchen Anwendung besser vorhersagen zu können. Herkömmliche numerische Modelle stützten sich bisher stets auf Festigkeits- und Schadensvorhersagen für gut kontrollierte Belastungsfälle, bei denen die Belastungen in der Ebene der Bauteile liegen. In diesem Fall haben wir es mit erheblichen Belastungen außerhalb der Ebene und mit Belastungen aus verschiedenen Richtungen zu tun, was die Entwicklung neuartiger Modelle sowie umfangreiche experimentelle Versuche erfordert, um diese Bemühungen mit nützlichen, qualitativ hochwertigen Daten zu untermauern.   

Diese Entwicklung wird einen schnelleren Kundensupport bei Laufradprojekten ermöglichen, die für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) benötigte Zeit auf ein Zehntel verkürzen und die Vorhersagbarkeit der Leistung verbessern. Das ist ebenso herausfordernd wie spannend, und ich freue mich sehr, dass wir eine Partnerschaft mit einer Schweizer Universität eingehen und für diese Forschung umfangreiche staatliche Fördermittel aus der Schweiz erhalten konnten.   

 5. Was waren die wichtigsten Erkenntnisse oder Einsichten, die Sie aus dieser Erfahrung gewonnen haben?   

Lionel: Seid neugierig und probiert Dinge aus, auch wenn es theoretisch unmöglich erscheint oder noch nie zuvor gemacht wurde. Ihr werdet immer etwas lernen, das sich für ein anderes Projekt nutzen lässt. Natürlich hat diese Erfahrung zu meiner persönlichen Weiterentwicklung beigetragen. Als ich bei Greene Tweed anfing, hatte ich nur sehr wenig Erfahrung mit Verbundwerkstoffen. Es war wirklich bereichernd, dieses Projekt von Anfang an mitzugestalten.  

 6. Möchten Sie die Rolle weiterer Mitarbeiter oder Führungskräfte würdigen, die den Innovationsprozess unterstützt oder gefördert haben? 

Samuel: Diese Innovation ist das Ergebnis eines außergewöhnlichen Teams, das täglich mit dem Ziel der Innovation und Optimierung arbeitet. Ich möchte mich auch bei Nenad Srejic (Produktionsleiter) und Mico Kovcic (Techniker) für den Formguss sowie bei Guillaume Aeby (leitender Techniker) und Jeremy Frutig (Auszubildender) für die Bearbeitung dieser Teile bedanken. Dieses Projekt ist umfangreich und langfristig angelegt. Die Unterstützung und das Vertrauen des Unternehmens im Laufe der Jahre haben dies eindeutig ermöglicht und sind ein wunderbarer Beweis für eine lebendige Innovationskultur.

Sébastien: Das war wirklich eine Teamleistung, und die vertikale Integration sowie die Agilität dieser Einheit innerhalb der Advanced Technology Group von Greene Tweed, die speziell zur Unterstützung des Geschäftsbereichs Structural and Engineered Components (SEC) eingerichtet wurde, waren entscheidend für das Erreichen dieses großartigen Ergebnisses. Man sollte auch den Mut des Geschäftsbereichs SEC und seiner Führung nicht unterschätzen, die diese Entwicklung als „große Wette“ erkannten und sie über fünf Jahre hinweg intern als Technologieentwicklungsprojekt (TD) finanzierten, wodurch wir Ergebnisse erzielen konnten, die das kommerzielle Engagement der Kunden sicherstellten.

7. Haben Sie einen Rat für angehende Innovatoren?     

Samuel:Wenn du eine Idee hast, deren Umsetzung schwierig erscheint, und du dir nicht sicher bist, ob sich der Aufwand am Ende lohnt, gib nicht auf, sondern denke größer. Frag dich selbst: Was braucht es, um deine Idee von einer guten Idee in eine außergewöhnliche Idee zu verwandeln, die jeder haben will? Nutze die Kraft des Teams, teile und diskutiere deine Gedanken, um gute Ideen zu entwickeln – und mache sie dann großartig!