Additive Manufacturing

Siemens' Gasturbinenschaufel aus dem 3D-Drucker besteht Härtetest

Erstmals wurden vollständig mit Additive Manufacturing (AM) gefertigte Gasturbinenschaufeln unter Volllast in einer Gasturbine erfolgreich getestet. Siemens konnte damit einen Durchbruch im Bereich 3D-Druck von Gasturbinenschaufeln erzielen.

Die Schaufeln waren 13.000 Umdrehungen in der Minute und Temperaturen von über 1.250 Grad Celsius ausgesetzt.

Das Unternehmen überprüfte dabei mehrere mit AM hergestellte Turbinenschaufeln mit konventionellem Schaufeldesign. Die Bauteile wurden dabei 13.000 Umdrehungen in der Minute und Temperaturen von über 1.250 Grad Celsius ausgesetzt. Zusätzlich testete Siemens ein mit AM-Technologie gefertigtes neues Schaufeldesign mit einer komplett überarbeiteten und verbesserten internen Kühlungsgeometrie. Die verwendeten Schaufeln wurden bei Materials Solutions, dem erst kürzlich erworbenen Unternehmen in Worcester, Großbritannien, gefertigt. Materials Solutions ist spezialisiert auf die Fertigung von hochleistungsfähigen Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen bei Turbomaschinen bei denen Genauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und höchste Materialqualität für die Leistungsfähigkeit der Komponenten entscheidend ist. Die Untersuchungen wurden im Siemens-Testcenter für industrielle Gasturbinen in Lincoln, Großbritannien, durchgeführt.

AM im Bereich Stromerzeugung

Siemens testete erstmals vollständig mit Additive Manufacturing (AM) gefertigte Gasturbinenschaufeln nach konventionellem sowie neuem Schaufeldesign unter Volllast in einer Gasturbine.

„Dies ist ein bahnbrechender Erfolg für den Einsatz von Additive Manufacturing im Bereich der Stromerzeugung, einem der anspruchsvollsten Anwendungsfelder für diese Technologie“, sagte Willi Meixner, CEO der Siemens Power and Gas Division. „Additive Manufacturing ist eine wichtige Säule in unserer Digitalisierungsstrategie. Die erfolgreichen Tests sind das Ergebnis eines engagierten internationalen Projektteams, bestehend aus Siemens-Ingenieuren aus Finspang, Lincoln, und Berlin sowie den Experten von Materials Solutions. Zusammen entwickelten sie in nur 18 Monaten die komplette Prozesskette vom Komponentendesign und der Materialentwicklung für AM bis hin zu neuen Methoden der Qualitätskontrolle sowie der Simulation der Lebensdauer von Komponenten. Mit unserem gemeinsamen Know-how im 3D-Druck werden wir weiterhin die technologische Entwicklung und Anwendung in diesem Feld vorantreiben“, so Meixner.

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Schaufeldesign bietet verbesserte Kühleigenschaften

Die erfolgreichen Tests sind das Ergebnis eines engagierten internationalen Projektteams, bestehend aus Siemens-Ingenieuren aus Finspang, Lincoln, und Berlin sowie den Experten von Materials Solutions.

Die Turbinenschaufeln wurden in einer industriellen Gasturbine des Typs SGT-400 mit einer Leistung von 13 Megawatt (MW) installiert. Die gedruckten Turbinenschaufeln werden aus einer pulverförmigen, hochtemperaturbeständigen Superlegierung mit polykristallinem Nickel hergestellt. Die Schaufeln widerstehen so dem hohen Druck sowie den enormen Temperaturen und Fliehkräften, die beim Turbinenbetrieb entstehen. Bei Volllast dreht sich jede der Schaufeln mit einer Geschwindigkeit von über 1.600 km/h und trägt dabei die Last von 11 Tonnen, was dem Gewicht eines vollbeladenen Londoner Doppeldeckerbusses entspricht. Außerdem sind die Schaufeln von 1.250 Grad Celsius heißem Gas umgeben und werden mit über 400 Grad Celsius heißer Luft „gekühlt“. Das in Lincoln getestete neue Schaufeldesign bietet verbesserte Kühleigenschaften. Damit kann die Effizienz der Siemens-Gasturbinen weiter gesteigert werden.

Prototypen bis zu 90 Prozent schneller entwickeln

Beim Additive Manufacturing werden Teile Lage für Lage aus einem schichtförmig aufgebauten CAD-Modell erstellt. Die AM-Technologie, die auch als 3D-Druck bekannt ist, bietet vor allem Vorteile bei der schnellen Fertigung von Prototypen, dem Rapid Prototyping. „Die spannende AM-Technologie verändert die Art und Weise wie wir produzieren. Wir können damit Prototypen bis zu 90 Prozent schneller entwickeln“, sagte Meixner. „Siemens ist Vorreiter im Bereich Additive Manufacturing. Wir beschleunigen die Entwicklung neuer Gasturbinen mit höherem Wirkungsgrad und gesteigerter Verfügbarkeit und können unseren Kunden diese Verbesserungen damit schneller liefern. Die neue Flexibilität in der Fertigung erlaubt es uns, näher an den Anforderungen der Kunden zu entwickeln und wir können einzelne Ersatzteile bei Bedarf (on demand) liefern.“

Der Faserlaser gestaltet die Turbinenschaufeln anhand eines digitalen Fertigungsplans, auch CAD-Modell genannt. Ein Laserstrahl bewegt sich über eine Metallpulverschicht und schweißt die erste Ebene des dreidimensionalen Objekts. Eine neue Schicht des Metallpulvers wird danach auf der Oberfläche verteilt. Jetzt druckt der Laserstrahl eine zweite Ebene. Schritt für Schritt entsteht so die Turbinenschaufel.

Siemens verwendet die AM-Technologie in erheblichem Umfang zur schnellen Erstellung von Prototypen und hat bereits serienreife Lösungen für Komponenten im Verdichter- und Verbrennungssystem von Gasturbinen eingeführt. Im Februar letzten Jahres eröffnete Siemens eine neue Fertigung für 3D-Druck-Komponenten in Finspang, Schweden. Seit Juli 2016 ist die erste mit 3D-Druck hergestellte Komponente für eine große Siemens-Gasturbine erfolgreich im kommerziellen Betrieb. kf

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