Siemens nutzt 3D-Druck zur Herstellung von Gasturbinen

Digitalisierung der Fertigung

„Additive Manufacturing“ (3D-Druck) eröffnet interessante Perspektiven bei der Fertigung von Gasturbinen. Siemens investiert deshalb in diese neue Technologie und treibt die Industrialisierung sowie Kommerzialisierung des Verfahrens voran. Jetzt melden die Münchener einen Durchbruch im 3D-Druck: Den ersten erfolgreichen Volllasttest für additiv gefertigte Gasturbinenschaufeln.

Extreme Bedingung für die Schaufeln aus dem 3D-Drucker: Sie waren 13.000 Umdrehungen in der Minute und Temperaturen von über 1.250 Grad Celsius ausgesetzt.

Die ersten vollständig mittels „Additive Manufacturing“ (AM) gefertigten Gasturbinenschaufeln hatten die Tests unter Volllastbedingungen erfolgreich bestanden. Dabei mehrere per 3D-Druck hergestellte Turbinenschaufeln mit konventionellem Schaufeldesign überprüft. Die Bauteile wurden dabei 13.000 Umdrehungen in der Minute und Temperaturen von über 1.250 Grad Celsius ausgesetzt.

Zusätzlich testete Siemens ein im 3D-Druck-Verfahren gefertigtes neues Schaufeldesign mit einer komplett überarbeiteten und verbesserten internen Kühlungsgeometrie. Die verwendeten Schaufeln wurden bei Materials Solutions gefertigt. Das erst kürzlich erworbene Unternehmen in Worcester, Großbritannien, ist spezialisiert auf die Fertigung von 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.

3D-Druck in der Stromerzeugung

„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.“

Die Turbinenschaufeln wurden in einer industriellen Gasturbine des Typs SGT-400 mit einer Leistung von 13 Megawatt 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.

„Rapid Prototyping“

Beim 3D-Druck werden Teile Lage für Lage aus einem schichtförmig aufgebauten CAD-Modell erstellt. Das bietet vor allem Vorteile bei der schnellen Fertigung von Prototypen („Rapid Prototyping“). Man  könne damit Prototypen bis zu 90 Prozent schneller entwickeln, sagte Meixner. Und die neue Flexibilität in der Fertigung erlaube es Siemens, „näher an den Anforderungen der Kunden zu entwickeln und wir können einzelne Ersatzteile bei Bedarf (on demand) liefern.“ Man entwickele außerdem neuartige, nur mit 3D-Druck realisierbare Gasturbinendesigns und baue gleichzeitig die Serienfertigung von gedruckten Turbinenteilen aus.

Laut Meixner verwendet Siemens den 3D-Druck bereits 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 man eine neue Fertigung für 3D-Druck-Komponenten in Finspang (Schweden). Und seit Juli 2016 sei die erste mit 3D-Druck hergestellte Komponente für eine große Siemens-Gasturbine erfolgreich im kommerziellen Betrieb.

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